1、声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：皇复递墨塾加e)年月7 日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位-i,-t 3 c I i D 部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：量丝塾夕年月7 日万方2、数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发摘要f 燃缈随着市场竞争的日趋激烈和信息技术的迅速发展，传统的制造方式和管理方式制约了企业的生产效率水平的提高。企业为了提高自身竞争力已经做了大量的企业管理信息化、自动化等方面的工作，而物联网技术的发展为这一工作带来了新的机遇。应用物联网技术将制造企业工厂内的各个单元整合到一起，能够对工厂内加工情况的进行实时地监控、对产品的加工情况实时地追踪、协调生产计划和原料库存以及成品库存三者的情况，有效地提高企业的生产效率和管理水平，这就是智慧工厂。本文介绍了智慧工厂的研究现状及发展的趋势。根据智慧工厂的特点，结合企业生产的生产作业流程、企业物流供3、应链流程和学校教学对实验室、实验设备的要求，对智慧工厂实验系统进行了需求分析，并对智慧工厂实验平台进行了功能模块的设计和实验平台的整体规划；对智慧工厂实验平台部分单元中应用的关键技术，如R F I D 技术和A G V 小车的路径规划等进行了应用研究。以V i s u a lC+作为系统开发工具，S Q LS e r v e r 作为后台数据库，对系统进行了设计与开发，并对开发完成的系统进行测试。关键字：智慧工厂，实验平台，物联网，R F I D，路径规划万方数据A b s 仃a c t硕士学位论文A b s t r a c tW i t ht h ei n t e n s ec o m p 4、e t i t i o no fm a r k e ta n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y，t h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gm e t h o d sa n dm a n a g e m e n tm e t h o d sh a v er e s t r i c t e dt h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c t i o ne f f i c i e 5、n c y I no r d e rt oi m p r o v eo w nc o m p e t i t i v e n e s s，m a n yc o m p a n i e sh a st a k e nl o to fe n e r g ya n df i n a n c i a lr e s o u r c e st oi n f o r m a t i o no fe n t e r p r i s em a n a g e：m e n ta n da u t o m a t i o n H o w e v e r，d e v e l o p m e n to fi n t e6、 r n e to ft h i n g sb r i n g sn e wo p p o r t u n i t y T h ea p p l i c a t i o no ft h eI n t e r n e to ft h i n g st e c h n o l o g yw i l li n t e g r a t et h ev a r i o u su n i t so ft h ef a c t o r y，w h i c hw i l lg i v eh a n d st or e a l t i m em o n i t o r i n go nm a c h i n i7、 n g，r e a l t i m et r a c k i n go fp r o d u c t s，c o o r d i n a t i n gt h er e l a t i o n s h i po fp r o d u c t i o np l a n，r a wm a t e r i a ls t o c ka n df i n i s h e dp r o d u c t s T h e s ei m p r o v ee f f e c t i v e l yt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n a g8、 e m e n tl e v e lo fe n t e r p r i s e s T h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fi n t e l l i g e n tf a c t o r y A c c o r d i n gt of e a t u r e so fi n t e l l i g e n tf a c t o r y，p r o c e s so fp r o d u c t i o na n dl o9、 g i s t i c ss u p p l yc h a i n，a n da c q u i r e m e n ta b o u tl a b o r a t o r ya n dl a b o r a t o r ye q u i p m e n tm a d eb ys c h o o l s，t h i sp a p e rd oa n a l y s i sr e q u i r e m e n to ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi ni n t e l l i g e n tf a c t o r y w h a t sm o r e10、，t h ef u n c t i o nm o d u l ew i l lb ed e s i g n e da n dt h eo v e r a l lp l a n n i n go ft h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mw i l lb em a d e T h ek e yt e c h n o l o g ya b o u te x p e r i m e n t a ls y s t e mi ss t u d i e d，w h i c hi n c l u d e sR F I Dt e c h n o l o g ya n dp11、 l a no fA G Vc a rp a t h W i t hV i s u a lC+asas y s t e md e v e l o p m e n tt o o l。S Q LS e r v e rd a t a b a s ea st h eb a c k g r o u n d，t h es v s t e mh a sc a r r i e do nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t，a n dt e s t i n gt h ed e v e l o p m e n to fac o m p l e t es y s t 12、e m K e yw o r d s：S m a r tF a c t o r y；E x p e r i m e n t a lP l a t f o r m；I n t e r n e to fT h i n g s；R F I D；P a t hP l a n n i n g万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发目录摘要IA b s t r a c t I I目录I I Il 绪论11 1 研究背景及意义11 2 智慧工厂的国内外研究现状11 2 1 智慧工厂概述21 2 2 智慧工厂国内外应用现状21 3 智慧工厂实验室的研究及应用现状31 4 研究内容及章节安排13、51 4 1 论文主要内容51 4 2 章节安排61 5 本章小结62 智慧工厂实验系统的总体设计72 1 实验系统课题基础72 1 1 课题研究基础72 1 2 模拟企业案例92 2 系统需求分析1 02 2 1 智慧工厂特征分析112 2 2 生产作业流程分析112 2 3 企业供应链流程分析1 32 2 4 教学、实验需求分析1 42 3 实验平台功能设计1 52 4 实验平台整体规划1 92 4 1 智慧工厂实验系统设备布局1 92 4 2 软件架构规划2 02 4 3 网络通信设计2 22 5 本章小结2 43 智慧工厂实验系统相关技术应用设计2 53 1R F I D 技术2 5314、 1 1R F I D 工作原理2 5万方数据目录硕士学位论文3 1 2R F I D 技术在实验系统中的应用设计2 63 2A G V 小车路径规划一3 03 2 1A G V 小车介绍3 03 2 2 路径模型建立3 13 2 3A G V 小车路径规划3 23 3 本章小结3 64 智慧工厂实验系统开发3 74 1 系统开发运行环境环境3 74 2 软件系统模块设计3 74 2 1 软件模块总体设计3 74 2 2 堆垛机控制模块设计4 04 2 3A G V 小车控制模块设计4 24 2 4 生产装配控制模块设计4 34 2 5 智能加工线模块4 44 2 6 集成调度模块设计4 5415、 2 7 自动分拣模块设计4 64 2 8 电子标签辅助拣选模块设计4 74 2 9 其他模块设计4 74 2 1 0 通信协议设计4 84 3 系统数据库设计5 04-3 1 数据库设计需求5 04 3 2 数据表模型建立5 04 3 3 数据表和结构设计5 24 3 4 数据库的访问5 64 3 5 数据库操作5 64 4 本章小结5 85 系统测试及运行5 95 1 系统准备5 95 1 1 控件注册5 95 1 2 数据源配置及测试5 95 1 3 测试现场6 05 1 4 实验对象6 15 2 测试及运行615 2 1 软件主界面6 1V万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系16、统的设计与开发5 2 2 仓储管理功能模块测试6 25 2 3A G V 小车运行测试6 35 2 4 生产装配线运行测试6 45 2 5 集成调度监控界面测试6 55 2 6 自动分拣任务测试6 65 2 7 测量结果统计分析6 75 3 测试结论6 85 4 学生实验方案设计6 85 5 本章小结6 96 总结与展望7 06 1 总结7 06 2 展望7 1致谢7 2参考文献7 3附录7 7V万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发1 绪论1 1 研究背景及意义1 8 世纪，第一次工业革命在英国发起，蒸汽机的创造使制造业完成了从手工劳动到机器制造的转变；1 9 世纪中期17、，随着电磁感应现象的发现，电力被普遍的应用，人类社会进入了“电气时代”；在此之后，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，第三次科技革命一一信息技术革命在2 0 世纪开始展开，一直到现在 1】。三次科技革命，改变了生产要素，大大提高了生产率，使人类社会加速步入现代化，也使人类的思维观念、生活方式、行为方式逐步改变。在2 1 世纪，计算机互联网飞速发展，从各个方面惠及人们的生活，但是信息时代的到来也对制造业产生了巨大的冲击 2 。德国作为前三次工业革命的领头羊之一，欧洲先进制造业的代表，同样面临劳动力成本逐渐提高的压力。随着物联网的提出和发展，德国提出了“工业4 0”，也18、就是第四次工业革命的概念 3 1。工业制造业的变革，对于作为制造大国的中国，既是机遇也是挑战。2 0 1 5 年3 月5日，李克强总理在全国两会上作政府工作报告时首次提出“中国制造2 0 2 5”的宏大计划。计划中，中国要通过“三步走”实现成为制造强国的战略目标 4 。“中国制造2 0 2 5”的一个重要部分就是智慧工厂。本课题研究开发的智慧工厂实验系统基于北京某高校的实验室建设项目，该项目旨在建立一个现代化的，集仓储、物流、加工、装配、测量等一体的综合化实验室，可以满足高校机械类专业学生的教学实验任务。本实验室建设方案秉承智慧工厂的先进理念，参考目前制造型企业的工作流程，加入先进的技术和现代19、化设备并考虑到学校上在教学、实验上的需求，考虑到实验设备要满足实用性、易操作性、低成本等特点，最后设计出一个微型的智慧工厂实验平台。随着智慧工厂的概念越来越“热”，高校大学生作为中国制造业的储备力量，对于先进理念的认识也越来越迫切，高校的实验室必须紧密跟随目前的产业发展进行升级。工业4 0 实验室或智慧工厂实验室是近几年针对当前高校教学实验需求而提出的适用于机械类专业的综合性实验室。智慧工厂实验室的建设方案，模拟现代化的企业制造流水线，包括仓储、运输、加工、测量、装配、分拣等各项功能，使学生能够很直观的认识到智慧工厂的概念，增强学生的实践能力和科研水平，提高学生们的综合素质，为步入工作岗位打好20、坚实的基础。1 2 智慧工厂的国内外研究现状万方数据1 绪论硕士学位论文1 2 1 智慧工厂概述I B M 在2 0 0 9 年提出“智慧全球”的概念后，“智慧”的概念逐渐深入到交通、工厂、医疗、家庭等各个方面。智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段【5 J。在德国提出的工业4 0 计划中，两个主题就为智慧工厂和智能制造 6 。智慧工厂和智能制造在本质上具有很大区别。智慧工厂是在数字化工厂的基础上，应用物联网技术和传感器技术加强生产过程中信息的管理和监控 7 ；提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，使生产的计划、物料、设备、库存能够整合到一起，能够被有效的控制，从而达到提高生产率、降低库存、降21、低成本的目的。智慧工厂属于生产制造执行层的发展目标、而智能制造属于企业决策层和管理层的发展目标。智能制造是人机一体化的制造系统，是一种由人工智能和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它能够在制造过程中模拟人类的智能决策功能，能够完成如构思、判断、分析和决策等行为 8 。通过人与智能机器的协同控制，用人工智能，逐渐代替人类专家在制造过程中的部分脑力劳动。它让企业的制造过程更加的智能化、柔性化。智慧工厂偏重于制造，而智能制造偏重于运营。智能制造是智慧工厂的最终愿景，智慧工厂则是达到智能制造的基础。1 2 2 智慧工厂国内外应用现状近几年，随着物联网技术应用的普及和“智慧”理念的不断广泛和深入，“22、智慧地球”、“智慧城市”、“智慧工厂”、“智慧交通”等概念也相继涌现。智慧工厂就是一个微型的智慧地球，同样是通过物联网技术，实现生产与管理的统一，把人、机、物、环境统一在一起，在系统中能够进行实时的监测与管理 9】。随着控制技术的飞速发展，传统传感器逐渐变得智能化 10 1，设计者可以通过智能化的传感器构成智能控制网络，控制网络由原有的专用现场总线逐渐向以太网靠拢，从生产车间到办公室和信息中心实现了网络的一体化，云技术也在高速发展并普及，这一切都为智慧工厂的发展奠定了基础。1)国外研究现状：对于智慧工厂的建设方面，很多国际上的大型公司在已经开始筹备并且试点。例如德国的西门子在巴伐利亚州东北小镇23、上的安贝格电子制造厂，是“工业4 0”的模范工厂【1 1 1。在工厂内无论元件、半成品还是已经生产完成的产品，都带有各自编码，计算机通过识别电子标签的编码就能确定产品生产过程中的每一道工序，每一个流程。还有德国的化工企业，巴斯夫的试点工厂，生产线上每一瓶洗手液都可能跟下一瓶不同，顾客在网上就能定制适合自己使用的不同香味、不同配方的洗发水或洗手液 1 2 。2)国内研究现状：万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发在国内，也开展了关于中德智能制造方面的合作试点活动。为加强中德两国在智能制造领域的合作，工信部在7 月1 曰对外公示了2 0 1 6 年首批中德智能制造合作试点示范24、项目的名单，共1 5 家企业项目入选 1 3 。据了解，现在国内大部分中小型企业都对智慧工厂的建设都保持了极大的关注，但是基于成本问题还有人员问题，对自身工厂的智慧化改造仅限于购置了一套M E S 系统的水平州，虽然在一定程度上提高了工厂的现代化、智能化水平，但是跟国际水平还有很大差距。同时，对于M E S 系统的错误操作和使用，可能会导致负面的效果。研究智能的生产模式，规划智能工厂模型，有助于企业智慧工厂的建设，从而提高中国的制造业自动化水平的发展。1 3 智慧工厂实验室的研究及应用现状在物联网时代的到来已经成为一个必然的时候，对于如何提高企业的生产率、增强企业的竞争力是对所有制造业工程师的25、一个挑战，智慧工厂实验室作为机械制造类专业的综合性实验室应运而生。机械制造类专业包括很多专业，比如机械制造、机械电子、机械制造及其自动化、工业工程等多门学科专业，且课程范围广，实践应用性强，高校对机械类专业实验室的要求和投入都比较高 15 I。机械类专业对学生的动手操作能力要求较高，实验课程安排较多，多门课程需要安排学生进行相关的实验操作或实习参观。传统的机械类专业实验模式主要有机械制造工艺实验室、机械制图实验室、液压与气动实验室、数控加工实验室、电气与P L C 控制实验室、基础工业工程实验室(作业时间测定、生产节拍分析等)、人因工程实验室(心肺功能测试、眼动仪等)、物流工程实验室(立体仓库26、自动运输线等)等 16 17 1。随着“工业4 0”和智慧工厂的研究越来越深入，应用越来越广泛，一些公司针对“工业4 0”时代的到来提出了新型的智慧工厂实验室建设方案，例如：武汉某公司在2 0 1 5 年提出的“工业4 0”教学实训系统，主要由六自由度工业机器人、环形流水线、立体仓库、混线装配等组成，如图1 1 所示。万方数据1 绪论硕士学位论文图1 1 武汉某公司“工业4 0”教学实训系统还有广州某公司也提出了“工业4 0”智慧工厂实训解决方案，方案和之前提出的实训系统类似，除了上一个设计方案中的立体仓库、工业机器人、环形流水线等几个设备，还加入了数控车床、自动分拣等设备，如图1 2 所示27、。4图1 2 广州某公司“工业4 0”智慧工厂实训系统万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发综合分析传统机械制造类专业实验室和市场上新兴的一些新型智慧工厂综合实验室建设方案，可以看出高校对于实验室建设的重视程度很高，对于新型实验室建设方案的策划也在不断进行，但是传统实验室和新型综合性实验室，在教学实验过程中仍然存在一定问题：1)实验系统包容性差，实验模式单一。对于传统的机械制造类专业实验室来说，实验室只能支撑单一课程或技术的实验，忽略了机械类专业课程紧密联系的特点，学生缺乏对整个知识系统的全面认识和融会贯通，并且这种实验模式在一定程度上增加了课程的实验教学成本；2)实验系28、统流程不完整、不连贯。目前市场上的智慧工厂实验室方案建设没有考虑到实验系统的完整性，功能残缺，不能很好地体现出现代企业的生产作业流程，学生无法通过实验、实习清楚地认识到企业的生产作业流程；3)与现代企业发展严重脱节。目前，各高校的教育体系中，课程教学的内容和实验教学内容的设置往往非常滞后，对于高新技术的应用太少，与现代产业的发展严重脱节，学生走出高校后，并不能很快地进入到工作状态，达不到制造企业岗位技能的需求；4)实验自主设计性不强。目前高校中的机械类专业实验室只能支撑单一的实验流程，而市场上的智慧工厂相关实验室流程固定，体现不出现代化制造企业中柔性制造生产线的特点，学校的教师和学生没有办法根29、据课程和实际需要合理设置实验内容和实验流程，主动性和创造性难以发挥。而如何突破传统，设计个符合现代制造业发展的综合性实验系统，如何满足高校对于机械类专业综合实验室的需求，如何构建一个培养学生工程研究和实践创新能力的综合实验平台，这是一个亟待探讨和解决的问题，直接关系到我国制造业领域的人才培养和未来发展。1 4 研究内容及章节安排1 4 1 论文主要内容本课题是为从智慧工厂的理念出发，结合物联网技术，对实验系统进行设计与研发，课题的研究内容如下：I)基于制造型企业生产作业流程和生产物流供应链，并考虑到高校教学实验的用途，对智慧工厂实验系统进行需求分析；2)对实验系统的功能进行设计，明确各个单元的30、功能，对实验系统进行整体规划，包括设备布局、软件架构等；万方数据1 绪论硕士学位论文3)对实验系统的主要单元中应用的关键技术进行研究，利用R F I D 等技术使智慧工厂实验系统达到智能识别和实时控制，对A G V 小车的路径规划算法进行研究，选择恰当的算法对实验系统的进行算法设计；4)对系统的各设备模块(堆垛机、A G V、生产装配线、集成调度、智能加工等)进行详细的设计；根据软件系统对数据库的需求，进行数据库设计；5)对开发完成的系统软件主要功能模块进行运行测试。1 4 2 章节安排本文的具体章节安排如下：第一章：绪论。主要介绍基于物联网的智慧工厂实验系统的研究背景及意义，介绍了智慧工厂的31、概念及国内外的研究现状，介绍了目前智慧工厂在教学实验领域的应用现状。最后给出了论文的主要内容和章节安排；第二章：智慧工厂实验系统的总体设计。对该系统进行分析，分析该系统的需求，其要实现的主要功能。然后从设备布局、软件架构、网络搭建三方面对实验系统进行了总体设计；第三章：智慧工厂实验系统相关技术应用设计。主要介绍了实验系统中涉及到的关键技术，研究了R F I D 的工作原理，在实验系统中对R F I D 进行了应用设计；研究了A G V小车的路径规划算法，对A G V 小车的行走路径进行规划；第四章：智慧工厂实验系统开发。介绍了系统软硬件配置环境。对系统中各功能模块进行详细的设计。分析了几种数据32、库模型，建立数据库E R 图，对数据库进行表的结构设计，并介绍了系统中对数据的几种操作；第五章：系统测试及运行。介绍了系统测试的目的和软件各主要模块的运行测试过程，并设计了几种学生实验的方案；第六章：总结与展望。对课题研究的主要内容进行总结，并分析系统中需要改善的地方，对后期的研究方向进行了展望。1 5 本章小结本章主要介绍了课题的研究背景及意义，对智慧工厂的概念和智慧工厂的研究现状进行了介绍，然后对智慧工厂实验室系统的研究应用现状进行了调研分析，在最后介绍了论文的研究内容和章节安排。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发2 智慧工厂实验系统的总体设计实验系统的总体设计，33、需要首先介绍和分析课题研究的基础，包括已经具备的条件和需要补充完成的任务。然后需要对设计进行需求分析，并根据需求对系统进行功能设计。最后根据设计的功能对智慧工厂实验平台做一个整体规划，实验系统的总体设计流程如图2 1 所示。；课题基础 一需求分析功能设计 _ 一整体规划2 1 实验系统课题基础2 1 1 课题研究基础图2 1 总体设计流程课题研究之前，已具备一套M E S 系统，但是并非是针对智慧工厂实验系统开发的，对于实验系统的功能并非完全匹配，M E S 软件不具备控制实验平台中各设备完成任务的能力，M E S 软件的许多功能也都没有完全应用到。只能暂时作为上层管理软件使用，能够负责一些订34、单下达、工艺资料管理等功能。软件界面功能栏如图2 2 所示。导航菜擎鍪基础舞料鬻设备管理|；“物描产品象工艺资料嘉订单管理。釜仓库管理懿散件劳拣管理”工业萼，o箩智能生产管理品精管理逡车间管理麟生产异常管理。簋+监控中心塞，、力资源；，。工县管理二作业指导书、簸：文件釜经管理x。电子标釜分拣管理i n 项目管理誉，B 表管理、系统管理图2 2M E S 系统主要功能主要的功能有：万方数据2 智慧工厂实验系统的总体设计硕士学位论文1)基础资料：包括多厂管理、班次管理、生产线管理等；2)设备管理：包括设备状态监控，生产看板等；3)订单管理：主要包括订单的添加、修改、删除等；4)物料产品：包括物料管35、理、B O M 清单管理等；5)工艺资料：包括工艺管理、工艺文件管理、工艺流程规划等；6)仓库管理：包括查看仓储信息、添加入库单、添加出库单等；7)智能生产管理：包括生产作业、单品和批量生产管理、生产配料管理、产品途程管理(产量、完成量、不良、直通率等)；8)工业4 0：包括工艺资料、工艺流程、生产订单、生产看板等；9)品质管理：包括缺陷管理、不良管理、维修、返工、报废管理；1 0)生产异常管理：包括异常标准、异常报警与处理、异常监控等：11)监控中心：包括上下班刷卡、在线质检、缺陷记录、流程管控、异常报警采集、不良处理等数据采集；1 2)报表管理：工艺流程监控、生产日报、月报、工位良率统计、36、生产力统计分析、生产工时统计分析、员工绩效考核、员工刷卡记录考核等数据分析；1 3)系统设置：参数设置、权限设置、密码管理等。其中，“工业4 0”模块是在实验系统建设方案策划完成后和M E S 系统开发单位协商之后添加的单元，集合了其他单元的一些功能，专门用于智慧工厂上层系统的管理工作。“工业4 0”功能主要包括工艺资料编写、工艺流程设置、生产订单管理等。能够在工艺资料管理功能中编写工艺文件，包括产品代码、选择原材料、选择加工文件和装配文件。在工艺流程中设置工艺单号、配置生产过程中使用设备的情况，达到生产流程控制的目的。在生产订单管理功能中可以添加订单并发送订单。但是M E S 软件还缺少对于37、实验系统中各设备的集成控制功能，需要开发相应的控制软件来集成控制实验平台中的各设备来实现系统的仓储、运输、加工、装配等功能。并且为方便高校教师进行单独设备的控制实验或自由组合性质的实验需要设计单机控制功能。能够单独在界面中控制某一设备，并对相应设备进行设备状态监控和任务列表显示。课题研究中软件方面已经具备的功能和需要补充完成的功能如图2 3 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发7十7 I，U LI I J U l 穴a-M需要补充的功能_ 一_集成控制模式待开发F M S 软件_对设备状态的监控图2 3 课题软件已具备功能和需要完善的功能单机控制模式是为了方便教师38、单独使用某一设备或单元所提供的模式，需要为仓储、加工等功能提供单独的界面来进行控制。集成控制模式为了体现由原材料出库、运输、搬运、D 丑-r、测量等一系列过程，直接读取M E S 下发的订单任务，然后集成控制各设备完成生产任务。2 1 2 模拟企业案例为体现实验过程的真实性，设置虚拟案例企业一一铭刻雕刻有限公司。铭刻雕刻厂是一家专门针对定制服务的小型雕刻厂，产品主营小型精雕件，也可以进行印章雕刻，底座加工等，是一家离散型中小批量装配件生产厂家。公司的组织结构图2 4 所示。铭刻雕刻有限公司各部门职能情况如下：图2 4 公司组织结构图万方数据2 智慧工厂实验系统的总体设计硕士学位论文人事部：负责39、人员招聘工作、制定员工手册、绩效考核等；财务部：负责采购、销售、生产中有关成本的管理与核算，管理公司账目；研发部：负责产品的设计，工艺资料、加工文件和装配文件的编写；采购部：采购计划的制定、物料管理、供应商信息管理等；仓管部：负责管理仓库，包括原材料管理、产品管理等，定期进行产品盘点；物流部：负责生产系统中的供应物流、生产物流或产品配送过程；生产部：负责生产计划的安排、生产线的调度、产品的生产和装配等；品质部：对生产原材料、半成品、成品等进行抽样检验或全数检验，对产品的质检情况进行分析，得出分析报告；市场部：负责产品的销售，市场的调研、订单的安排等。以上九个部门的职能情况主要为了体现实验系统的40、模拟案例的真实性，实验系统的具体功能设计在2-3 节的功能设计中会有体现，并且可以由高校中的老师和学生来自行安排。2 2 系统需求分析所谓需求分析，是指对需要被设计和开发的对象进行详细的分析，弄清楚设计研发的要求，包括要达到怎么的目的，为什么要达到这样的目的等。可以说，在软件研发过程当中的“需求分析”就是确定要计算机“做什么”18 1，要达到什么样的效果，要达到一个怎样的目标。可以说需求分析是开发一个系统的第一步。在软件系统的设计研发过程中，越来越多的人清楚地认识到，需求分析是整个过程中非常关键的一个部分 18 1。倘使在需求分析的过程中，设计者没有清楚地了解到用户对软件系统的需求，那么最后设41、计出来的软件系统很可能无法满足客户的需求，或者在设计研发过程中浪费太多时间走了弯路。智慧工厂实验平台的设计和研发是基于智慧工厂概念的发展和学校实验室的需求，所以有必要阐述智慧工厂实验系统的需求，并根据需求设计相应的功能单元。智慧工厂实验系统的需求分析应该主要从四个方面进行：1)智慧工厂实验系统的原型是智慧工厂，实验系统的设计方案应该体现出智慧工厂的的特征：2)智慧工厂的核心功能是生产装配，实验系统流程应该与模拟企业案例铭刻雕刻厂的生产作业流程保持一致；3)智慧工厂实验系统的物流供应链系统应该与模拟企业案例的物流供应链流程大体保持一致，包括从原材料入库到成品的配送等过程；万方数据硕士学位论文垩三42、望壁翌塑篁堇三 茎鉴墨竺望堡兰皇要垄4)智慧工厂实验系统是一个为教师和学生提供的实验平台，一切要以教学实验的要求出发，满足高校对实验系统的需求。2 2 1 智慧工厂特征分析智慧工厂实验系统作为智慧工厂的一个微型平台，需要在设计的过程中体现出智慧工厂的特征。首先，智慧工厂具备现代工厂柔性化的特点。柔性化制造的过程能够通过软件控制物料储运过程、加工装配过程、配送过程等，能适应不同加工对象的一个自动化加工的过程。它能够根据加工对象选择不同的工艺进行加工，也能够自主安排物料的运输路线等，实现系统中必须体现这一特点；其次，智慧工厂具备智慧化的特点，它广泛应用物联网技术，能够实时监测到各设备的状态，监1 43、1 5 _ S 内的加工过程，物流状态等，能够根据工件的编码自动选择加工文件或装配文件；最后，智慧工厂还具备无人化的特点，应用机器人、自动化设备等高新技术代替人力劳动，并把需要手动操作的动作集中在一起。使用机器代替人力一方面减少了失误率，另一方面也减少了判断时间，加快了系统工作的速度，使生产过程更加顺利c能满足不同加工对象不同生产工艺，不同生产流程实时监控设备状态，根据编码自动选择加工文件、装配文件等使用高新科技、自动化设备，用机器代替人力劳动图2 5 智慧工J 特征分析智慧工厂的三个特征在功能设计和相关技术的应用中得以体现。2 2 2 生产作业流程分析智慧工厂实验系统需要体现出企业的生产过程44、，具备生产能力，符合模拟案例铭刻雕刻厂的基本的生产作业流程。这样才能使学生更准确、直观地认识到企业的生产工作过程。生产作业流程是企业在接到订单到产品入库之间的一系列生产作业活动的序列引。生产作业流程是由多个生产作业活动组成的，通常是比较复杂的。在不同的生产制造企业中，生产作业流程往往也是不一样的 2 0 。例如，流程型的化工企业与离散型的制万方数据2 智慧工厂实验系统的总体设计硕士学位论文造企业、汽车制造企业以及生产汽车轮胎的企业与生产汽车发动机的企业，他们的生产作业流程的外在形式显然是不尽相同的 2 1 1。接下来，分析铭刻雕刻有限公司的生产作业流程，铭刻雕刻属于离散型定制或中小批量装配件。45、铭刻雕刻有限公司的加工生产活动主要针对有机玻璃的公司生产作业流程主要分为以下几个步骤：首先，生产准备阶段，主要有产品设计、物料采购、设备准备、生产计划等内容；其次，生产阶段，根据产品的设计文件对产品进行加工。例如，对底座进行凹槽加工和花边雕刻或对主体部分进行立体雕刻；再次，质量检测阶段，对雕刻的主体和底座分别进行测量，保证凹槽尺寸和主体尺寸吻合，在合理的公差范围之内；然后，装配阶段，对加工完成的底座和主体进行装配；最后，产品入库配送阶段，将生产装配的产品进行入库操作，或送至物流配送中心。模拟企业案例的生产作业流程如图2 6 所示。生产加工 I厂 测量功能：负责自动检测并测量已加工工件的尺寸，记46、录测量结果，反馈到上位机，判别是否合格，对于不合格的产品进行报废或进行其他处理，确保产品的质量。全自动测量仪在对于标准件的测量过程中不需要多余操作，只要将加工完成的工件放在测量仪的平台上，测量仪会自动测量相应位置的尺寸，并存储在E x c e l 表格中。测量功能如图2 1 3 所示。自动化测量仪无需人工操作，能自动测量并记录，也体现了实验系统的无人化。：一自动测量搬运来的工件驾纛卜群t 二_ 二二：!：!：二二o 将测量记录保存在E x c e l 图2 1 3 测量功能设计6)装配功能：智慧工厂为展示不同类型的装配模式，设计了机器人装配和人工装配两种装配方式。针对简单的装配件，实验系统可以47、采用装配机器人和视觉识别系统完成工件的装配。智能装配工作需要有研发人员提前编写装配文件。针对复杂的装配件，装配机器人无法独立完成装配活动，需要人工装配模块，人工装配模块设置了六个加工装配工位和自动化输送线，也可进行手工加工，由于是在微型万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发平台内，加工装配单元并不能真正实验，只能展示加工装配线的工作过程，并通过系统的控制实现对六个工位进行工位定时。装配单元功能设计如图2 1 4 所示。智能装配-机器金荐翼薷翟裂系统图2 1 4 装配功能设计7)拣选功能：电子标签辅助拣选系统主要应用于零售业的物流配送中心，是通过装于每个货架格位上的电子显示48、装置(电子标签)来代替纸质的拣货作业单，指示拣货人员应拣取的物品及数量 33 1，辅助捡货人员的作业，减少目视寻找的时间，提高拣货作业的效率，同时降低拣货的出错率。8)自动分拣功能：通过R F I D 识别物品信息，通过自动运输线、挡板和顶升平移机构控制物品的分流，从而达到自动分拣的目的。分拣作业实现自动化、无人化，能够实现大批流动货物的分拣，误差率极低 3 4 1。智慧工厂实验系统的自动分拣单元能够添加分拣任务，按照货物编码进行分拣。2 4 实验平台整体规划智慧工厂实验系统是一个综合性的实验平台，系统中的功能单元较多，设备较多，数据交换频繁，软件架构和控制结构也都较为复杂。所以需要在系统开发49、之前对系统进行整体规划，整体规划主要包括实验平台整体硬件布局、软件系统架构、网络通信设计三个部分，下面分别开始介绍。2 4 1 智慧工厂实验系统设备布局智慧工厂实验系统中主要设备包含自动化立体仓库、A G V 导引车、自动运输线、搬运机器人和行走机构、数控铣床、自动化测量仪、双模装配单元、自动分拣单元、R F I D系统等组成。根据之前的生产作业流程和物流供应链流程，实验系统的设备布局要按照“出库一加工一单件测量一装配一入库配送”的流程进行布局设计。以自动化立体仓库为起点，也以立体化仓库为终点，合理布局并用A G V 小车、自动化运输线将各个单元串联起来，智慧工厂实验系统的总体布局如图2 1 50、5 所示。万方数据2 智慧工厂实验系统的总体设计硕士学位论文智能装配机器人装配平台生产装配线电子标签辅助i拣选单元自动分拣j幽2 1 5 智慧工J 总体布局图从图2 1 5 中可以看出，整个智慧工厂实验系统呈一个环绕装的分布，各设备分布在平台的外围，更方便实验过程中同学们能够更认真的观察。系统的运输搬运部分包括A G V 小车、自动运输线和机器人导轨在实验平台的中间部分，缩短了运输的路径，减少了运输过程中所花费的时间。A G V 小车可以到达立体仓库的入货1 5 1、出货口；还能到达自动运输线的三个站点，分别设置在铣床 1、铣床抛和智能装配机器人对应的三个位置：也能到达生产装配线、电子标签辅助51、拣选和自动分拣单元。六自由度搬运机器人负责将加工件由自动化运输线搬运至柔性加工单元或智能检测单元。2 4 2 软件架构规划根据2 1 小节中的课题研究基础中介绍，已购买一套M E S 系统作为上层管理层软件，主要负责对各种信息的处理，在智慧工厂实验系统中主要用到的功能有工艺资料管理、订单管理、生产看板、仓储信息管理等。在实验系统的软件架构规划中必须要考虑到这一点。智慧工厂实验系统软件架构规划如图2 1 6 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发7、-管理层jM E S、一一控制层，jC N C、R O B O T、W M S 等。1。1 1。1。1 1 1 1。、一52、_ 现场层、-rlff r l，_。_ _ _ _ u _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _，_ _ 。一图2 1 6 软件系统架构上层管理层为制造执行系统(M a n u f a c t u r i n gE x e c u t i o nS y s t e m)简称M E S 系统，中间层控制层为柔性制造系统(F l e x i b l eM a n u f a c t u r eS y s t e m)简称F M S 系统，下层现场层为各设备中的下位机程序。1)管理层：M E S 系统M E S 系统，即制造企53、业生产过程执行管理系统。制造执行系统协会(M a n u f a c t u r i n gE x e c u t i o nS y s t e mA s s o c i a t i o n，M E S A)对M E S 系统所下的定义：M E S 系统通过对订单信息和监控状态实现对生产过程中从订单下达到产品完成的整个流程进行优化管理。当生产过程中发生任何突发事件，M E S 系统都能对此及时做出反应、并报告给管理者，并能提供当前的准确实时数据方便工厂管理层对事件进行处理。这种对状态变化的实时监控使M E S 系统能够提高企业的工作效率，有效地指导工厂的生产运作，从而在一定程度上提高了工厂的生54、产能力，提高了物料的流通性能，提高了企业的核心竞争力。M E S 系统还通过企业中的工业以太网提供了管理层和企业内部任一设备或单位的双向直接通讯，能够直接完成产品行为的关键任务信息的信息传递【3 引。2)控制层：F M S 软件柔性制造系统(F l e x i b l eM a n u f a c t u r eS y s t e m)简称F M S 系统，是由计算机将数字化铣床、物流供应链过程、仓储系统和其他自动化的工艺设备信息控制系统有机结合起来的一套系统。F M S 系统通常由仓储、加工、物流、信息流等子系统构成，在生产加工自动化的基础上实现信息传递和物料运输的自动化p6|。智慧工厂实验55、系统中将使用自主研发的F M S 软件，将各个单元的控制系统集成到一个上位机软件中，可以调度控制各个单元，也能监控到各单元设备状态。3)现场层：各设备的下位机软件主要包括基于W i n d o w s 系统的数控机床系统(C N C)、搬运机器人、装配机器人、堆垛机、A G V 小车等各单元设备的下位机控制系统。在生产过程中，M E S 软件主要的作用是对于生产状况的管理，包括生产订单的下发，工艺资料的管理和电子看板，对生产情况的实时监控，而实时监控信息则正是中间层控制软件所反馈给管理层M E S 软件的。中间层控制软件在读取数据库中的订单信息万方数据2 智慧工厂实验系统的总体设计硕士学位论文56、后，对现场层中各设备进行控制，完成生产加工任务，并读取到下位机反馈的状态信息等，中间层控制软件还需具备单独控制实验平台中各设备的能力，为了方便高校教师进行某一模块单独的实验和演示。管理层M E S 软件、中间层F M S 软件、现场层软件之间任务和交换的信息如图2 1 7 所示。中间层：F M S_ 7 一图2 1 7 软件交换信思图2 4 3 网络通信设计目前制造型企业逐渐向着信息化、网络化、数字化方向发展，智慧工厂实验系统中通过局域网将仓储单元、搬运单元、加工单元、测量单元、装配单元等八个单元与中央控制单元通过局域网连接起来，形成一套完整的系统，便于企业管理者的协同控制。以管理层M E S57、 系统、中间层F M S、控制层C N C 和P L C 等为控制架构，整合输送线P L C控制、机器人上下料控制、数控机床控制、测量仪控制及机器人自动定位及装配控制，实现自动仓储、自动加工、自动检测和自动装配工艺，充分展示无人自动化加工系统。实验平台运行模式采用客户端服务器(C S)的模式，将控制信息、管理信息及监控信息有机结合。C S 模式是一种集中管理与开放式、协作式处理并存的网络工作模式，系统的可扩充性高、安全性较强p7|。系统还可以在后期开发中通过服务器连接到广域网，使外部计算机可通过远程网络访问连接到实验系统的M E S 系统中对实验系统进行监控和操作。也可以开发移动设备的客户端，58、通过手机或平板电脑通过广域网访问实验系统，监控到工厂环境状态并对订单进行查看和管理。实验系统的网络通信设计如图2 1 8 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发数据库服务器中间层：F M S数据采集卡传感器掣Z i g B e e太网A G V、堆垛机等图2 1 8 网络通信从图2 1 8 的智慧工厂实验系统网络通信中可以看出，在智慧工厂实验平台内部，主要通过物联网和局域网将各个单元连接到控制系统计算机。1)管理层与控制层之间通信方式管理层M E S 系统和控制层F M S 系统同时连接同一数据库服务器，通过对数据库的操作达到交换数据信息的目的，交换的信息主要包括订59、单信息、工艺资料、工艺流程、仓储信息、设备状态等。2)控制层与现场层之间通信方式而控制层和现场层的数据交换主要不仅仅通过局域网控制各设备，还连接了一些传感器构成了实验系统的物联网络。控制层与现场层之间中主要通过以下三种网络连接方式来实现数据的传输：(1)工业以太网：工业以太网应用于工业控制领域的以太网技术，提供了应用于制造业领域的以太网标准 38 1。工业以太网具备成熟的技术支撑，能够充分发挥网络技术，将智慧工厂实验系统打造成信息化实验室，实现信息交叉传送，增加实验室开放性。实验系统中大部分设备都通过工业以太网实现设备之间的连接，例如数字化铣床、搬运机器人、自动测量仪。(2)Z i g B e60、 e 协议：Z i g B e e 协议又称为紫蜂协议是基于I E E E 8 0 2 1 5 4 标准的低功耗局域网协议。Z i g B e e 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术39 1。在实验系统中计算机通过Z i g B e e 控制堆垛机、A G V 小车等设备。(3)物联网网络主要通过U S B 来达到数据传输的目的，系统通过U S B 5 9 3 5 数据采集卡采集温湿度传感器、设备电电流检测传感器的信息。R F I D 读写器也属于物联网设备。万方数据2 智慧工厂实验系统的总体设计硕士学位论文2 5 本章小结在本章中首先介绍了智慧工厂实验系统设计开发的课题基础，建立了模拟企61、业案例，然后从智慧共产特征、企业的生产作业流程、物流供应链系统、教学实验需求等四个方面对智慧工厂实验系统设计和开发的需求进行了分析。之后根据需求分析设计了实验系统中的各功能单元，并对实验平台进行了整体规划，包括系统的整体布局情况和软件结构规划和网络系统的搭建。2 4万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计在传统的制造业企业流水线中，人力劳动仍然占有很大比重，不可避免地会产生一定的误差和错误操作，并且员工对于生产中的问题不能及时的发现和反馈，降低了企业的生产效率 4。随着越来越多的高新技术应用到生产过程中，企业的良品率和生产效率都得到极大提62、高。在智慧工厂实验系统中必须体现出目前制造业生产中用到的高新技术。另外智慧工厂的特征和功能需要通过应用的技术来实现。首先，通过对R F I D 的应用研究来实现仓储、加工、装配等过程中的编码识别，并结合系统的控制来实现加工装配过程的柔性化和智慧化。另外，还通过A G V 小车的应用实现了运输过程中的无人化，A G V 小车在不同站点之间的运输，也能够实现加工系统的柔性加工、装配过程，并在本章节中研究了A G V的路径规划算法，体现出了实验系统的智慧化。3 1R F I D 技术R F I D(R a d i oF r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o63、 n)射频识别技术可通过无线射频信号识别电子标签，并读写电子标签中的信息，不需要电子标签与读写器之间建立任何接触，只需要电子标签进入读写器的读写范围之中。由于其防水、耐热、识别速度快、读取距离远、使用寿命长、标签数据可动态更改等特点，使R F I D 的应用越来越普遍 4 1 1。例如汽车家庭防盗、产品防伪标签、电子门禁卡、自动停车、身份识别等各个领域 4 2 1。R F I D 技术还被应用在美国国土安全领域，如边境口岸的安全管理和集装箱运输等服务4 引。在生产制造和仓储物流等领域，R F I D 的应用也越来越多，逐渐代替纸质条码，在生产或物流过程中达到智能识别、实时监控、混流加工的目的。64、3 1 1R F I D 工作原理R F I D 系统才的工作原理如图3 1 所示，上位机程序将读或写的操作指令下达给读写器，读写器将读写命令经过编码后加载在某一特定频率的载波信号上，然后通过天线向外发送信号。当有电子标签进入读写器的读写范围，就会接收到此脉冲信号，电子标签中的芯片得到加载在载波信号上的信息，若载波信号中为“读”命令，芯片会将电子标签中储存的信息反馈给读写器，读写器再将读到的数据发送给上位机程序进行下一步的处理。若万方数据3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计硕士学位论文载波信号中为“写”命令且包含需要写入的编码，芯片会更改标签中的数据，并把修改结果反馈给读写器。幽3 1R F 65、I D 原理幽3 1 2R F I D 技术在实验系统中的应用设计在当前，R F I D 技术在我国的应用越来越普及，已经被应用在了电子票证、门禁管理、仓库、物流运输、车辆管理、工业生产线管理和动物识别等多种领域，而且早在“十一五”规划期间，我国政府就已经将射频识别技术列入了规划之中 4 4 1，在十五期间射频识别技术在我国最为广泛的应用就是更换二代身份证，这也是迄今为止世界上最大的R F I D 项目。随着我国对R F I D 重视程度的不断增加，许多企事业单位也开始对这一技术加以应用，比如说小区门禁卡的使用、校园一卡通、大学生电子购票和液化气钢瓶的安全监测等系统 4 引。智慧工厂实验系统中66、对R F I D 技术的应用主要体现在对标签的识别和对系统的监控方面。例如在铣床位置，需要加工的工件则由输送线和搬运机器人配合工作，将工件送到铣床内并由夹具固定，然后通过货物编码选择正确的加工文件或装配文件。为实现这一功能，首先需要在系统中布置具有智能识别和读写功能的R F I D 读写器。R F I D 读写器一般分为手持式读写器和固定式读写器【4 6 1，在智慧工厂实验系统中考虑到应用位置较多，并且为了让实验的操作更便捷，应该使用固定式读写器。考虑到实验平台较小，对R F I D 读写距离要求不高，选用低频射频识别。低频射频识别技术的相较于高频射频识别技术具有耗电低、价格便宜、识别距离短、67、存储数据量较少等特点 4 7 1，但是应用在智慧工厂实验平台上正好避免了各读写器之间互相冲突。通过比较市场上的低频射频识别的产品，选择捷通固定式读写器J T 一6 2 2 0 A，工作频段9 0 2 9 2 8 M H z，读取距离0 2 0 c m，如图3 2 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发图3 2 捷通固定式读写器J T-6 2 2 0 A其次，还需要在在工件或托盘上添加电子标签，R F I D 系统通过读写器读取电子标签内部储存的编码，反馈到上位机程序中，然后上位机程序来决定系统下一步的动作。智慧工厂实验系统通过在加工线体中使用R F I D 读写器对68、电子标签的读写，对加工线上原材料或半成品的产品编码进行判断识别，从而达到以下几个目的：1)实现在制造过程中判断制造自主判断的功能，根据货物编码安排加工过程；2)实现生产情况的追踪，能够实时监控生产过程；3)在加工过程中能够按照货物编码选择正确的加工文件和装配文件；4)使自动化加工线柔性化，可以实现混流加工。在智慧工厂实验系统中，仓储、自动运输线、生产装配线、自动分拣、电子标签辅助拣选等各个单元中都应用到了R F I D 技术，现在只对自动化仓储单元、柔性加工单元、视觉自动检测单元、智能装配单元进行R F I D 的应用设计分析。在之前实验系统整体布局的基础上在布置R F I D 读写器。智慧工69、厂实验系统R F I D 读写器的布局情况如图3 3所示。n_ _ 刊计_-I 卧_-L 七=王三-L _ _=铣床#1瀚|纂鞫稠熬瓣箨辫彝溺g；鹱慧蓊剩钢瓢g 羽l+揍目瓣搁l l 嘲i m l N+强弱鎏弱驴|；=目瓣l 雾目蓊耩|j j j：|R F I D 0 3|：R F I D 0 2剿羹n觚划随鍪、i 萋鬻汹壶婴!鳖最图3 3R F I D 读写器布局图智慧工厂实验系统中仓储和柔性制造环节一共需要四个R F I D 读写器，分别安装到立体仓库的入货口、自动运输线上铣床 1、铣床 2、装配机器人对应的位置。智慧工厂实验系统中的加工、装配流程与企业中的生产作业流程保持一致，首先进行单70、件加工，2 7万方数据3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计硕士学位论文然后单件测量，最后进行装配并入库。实验系统的基于R F I D 的加工控制流程如图3 4所示。，p、。开始；图3 4 基于R F I D 的加工控制流程在实验平台的柔性制造流程中主要有四个关键性操作过程：出入库操作、加工过程、测量过程、装配过程。四个关键操作过程中的R F I D 应用情况如下：出入库操作：入库操作的流程如图3 5 所示，原材料、半成品或产品在入库时，管理人员通过管理层软件编辑入库单，写入数据库中，中间控制层软件负责对入库单的具万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发体执行。当携带电子标签71、的托盘进入读写器范围内，读写器对电子标签进行读操作，将电子标签反馈的货物编码发送到上位机软件，如货物编码与入库单一致，控制软件发送入库命令给下堆垛机等设备进行入库操作，最后更新数据库。对于刚刚采购的需要写入编码的原材料，或刚刚经过加工需要更改货物编码的产品，可以在入货口的读写器位置将代表生产信息及工艺信息的编码写入电子标签中，然后执行入库操作并更新数据库。当系统需要出库操作时，管理人员通过M E S 系统下达出库订单，管理软件查询数据库中的仓库信息表，得到所需原材料所在的位置，堆垛机直接运行到相应位置，将托盘送至立体仓库出货口。映司自哥快叩7 专一h 一1。1 07 一、：L 等待。、。i 乒72、厂；结束、，+图3 5 入库流程图加工过程：在A G V 小车将物料运送到自动输送线之后，铣床前的R F I D 读写器对电子标签进行读操作，将编码信息发送到上位机，由上位机程序对照工艺流程单进行判别。如需要加工则通过系统选择空闲的铣床，由机器人将工件搬运到空闲的机床内，气动夹具夹紧工件，并根据货物编码选择相应的加工文件，进行加工。如程序判断这个工件不需要铣床的加工，自动运输线继续滚动，将托盘送至下一工位。万方数据3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计硕士学位论文测量过程：工件在进行加工后由搬运机器人搬运，将工件搬运回到输送线的托盘上，输送线继续运输，到达自动化测量仪所在工位后，搬运机器人搬运工73、件至自动化测量仪位置，测量后将货物编码、时间、加工信息等一同存入E x c e l 表格中。装配过程同加工过程类似，在此不再赘述。在工件完成装配动作之后，A G V 小车接货，将托盘和工件送至立体仓库入货口，堆垛机入库，数据信息更新。在仓储和物流过程中应用R F I D 技术，结合以太网技术、控制技术、传感器技术、数据库技术等，在整个智慧工厂实验系统中构成了一个物物联通的物联网，能够使生产装配过程自动化水平大大提高，提高管理水平，减小工作量，方便信息的交流。3 2A G V 小车路径规划据统计，在生产过程中只有5 左右的时间用于生产制造，而有9 5 左右的时间用于流通、储存等过程 4 8 。物74、流供应链在企业生产过程中的占有重要地位，所以对于物流供应链的研究具有重大意义 4 9 1。A G V 小车，即自动导引小车(A u t o m a t e dG u i d e dV e h i c l e)隶属于移动机器人范畴，是指装有自动导引装置，能够按照指定路径行进，能够智能控制运行动作的具有搬运功能的小车。3 2 1A G V 小车介绍A G V 小车，需要完成的任务是需要在计算机控制下能够自动沿着固定轨迹和方向运行，完成装载和卸载任务。运行过程中，A G V 要接收上位机发送来的任务命令，包括目标站点、起始站点、小车装卸货动作等。在获得起点、终点位置之后，A G V 小车调用路径规划75、算法计算出最佳行走路径，然后存储进数据库服务器中，并将行走路径转换成动作命令信息发送给A G V 小车，A G V 小车的下位机程序执行动作命令，并与传感器检验到的实时情况进行比较，避免在行走过程中偏离路径。图3 6 中展示了A G V 的运行控制流程。图3 6A G V 小车运行控制流程A G V 小车常用的驱动方式主要分为三种，差速型、单轮驱动转向型、全向轮驱动转向型。本实验系统中采用差速型驱动方式，A G V 小车的中间左右两轮各安装一个电机，前后各安装一个万向轮，利用中间两轮的正转、反转和两轮差速的形式完成A G V小车的前进、后退、转弯、停止等动作。3 0万方数据硕士学位论文基于物联76、网的智慧工厂实验系统的设计与开发A G V 小车的导引方式主要有三种：机械导引、电磁导引和光学导引 5 0 1，智慧工厂实验系统中采用的A G V 小车使用的是光学导引的方式。光学导引方式中的路径轨迹一般采用反光材料涂成的反光带，反光带的颜色一般与其他位置颜色有很大差别，便于识别。发光器图3 7 光学导引原理图如图3 7 所示，光学导引的基本原理是，当发光发出的光线照射到反光带上，光学传感器接收到反光带反射回来的光线，并把光信号转换成电信号，经过A G V 上控制单元处理和识别后，判断A G V 的运行是否偏离运行轨迹，若偏离轨迹，则通过控制调整两轮的转速，使A G V 回归到准确的道路和方向77、上。3 2 2 路径模型建立根据第二章内容中对智慧工厂实验系统的整体规划，A G V 小车需要满足的任务主要是建立立体仓库与其他各单元以及输送线之间的联系，将整个系统的各单元连接成一个整体。在智慧工厂实验系统中的A G V 小车行走路线应该从立体仓库的出货口开始，一路经由输送线对应铣床 1 位置、输送线对应铣床 2 位置、输送线对应智能装配位置、人工装配线、电子标签辅助拣选、自动分拣线，根据各单元的位置，规划A G V 小车的路径如图3 8 所示。万方数据3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计硕士学位论文智能装l配铣床 1；入货台出货台L _ 卜T 5T 6T 7人工装配分拣!图3 8 A G 78、V 小车路径图根据各站点之间的距离把加权值赋予到图中的每一条边上，得到如图3 9 所示A G V小车加权路径图。T 8 厂1 L 丛二。T 3T 211 5Y lOT 4，_ 厂1 r 面T T 5T 6。T 73 2 3A G V 小车路径规划图3 9A G V 小车加权路径图A G V 小车路径规划是指在具有障碍物和既定轨道的环境中，根据一定的指标，如最短路径、最短时间等，搜索出一条从起始点到终点位置的最优轨迹路线5。为方便对A G V 小车的控制，还应将得到的路径轨迹转换成小车的动作代码，过程如图3 1 0 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发图3 1 0A79、 G V 小车路径规划过程对于A G V 小车的路径规划方法主要有迪科斯彻算法(D i j k s t r a 算法)、D 术算法、弗洛伊德算法(F l o y d 算法)、A 冰算法等5 2 1。下面对几个算法进行介绍和分析：1)D i j k s t r a 算法。D i j k s t r a 算法是解决单源最短路径问题的经典算法 5 3 ，用于计算有向或无向加权图中一点到其他各点的最短路径，各边权值不能为负，是一种发散型的计算方法；2)A 术算法。A 半算法是启发算法，和D i j k s t r a 算法一样是解决有向或无向加权图中最短路径的算法。不同的是D i j k s t r 80、a 算法是计算起始点到其他所有点的最短路径，而A 木算法只计算起始点到目标点的最短路径，效率更高，但算法复杂程度较高，适合于复杂的图形中；3)F l o y d 算法。弗洛伊德算法，又称插点法，是一种解决动态环境中的最短路径规划问题的经典算法【5 引，应用于边长可正可负稠密图效果最佳，解决多源加权图图中的最短路径问题；4)D 术算法。D 木算法同样是解决动态环境中的最短路径问题的经典算法，能在目标地址不断动态变化的情况下求解最短路径，如追击逃犯、机器人探路等过程。实验平台中A G V 小车工作环境为静态环境，整个平台中只有一辆A G V 小车，可正向或反向行驶，路径图中各边加权值固定，根据各算81、法的应用环境，这里选择D i j k s t r a算法进行A G V 小车路径规划。D i j k s t r a 算法计算单源无向加权图中最短路径的流程图如图3 11 所示。万方数据3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计硕士学位论文一开始j选入已知点s，d s=0结束图3 1 1D i j k s t r a 算法流程幽在D i j k s t r a 算法中，首先将图中站点分为两组，S 集合和U 集合，S 集合为已确定其最短路径的已知点集合，U 集合为未知路径点集合。从起始点S 开始计算，每回合将一个U 集合中的点按照路径长度递增的顺序加入到S 集合中，保证从源点S 到S 集合中每一点的距82、离都不大于从源点S 到u 集合中每一点的距离。以计算T l 为源头到各点的单源最短路径为例，算法步骤如表3 1 所示。3 4万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发2467选入T 1，此时S=此时最短路径T 1 一T I=0以T 1 为中间点，从T 1 开始找选入T 7，此时S=此时最短路径T 1-*T I=0，T 1 一T 7=2以T 7 为中间点，从T 1-+T 7 这条最短路径开始找选入T 8，此时S=此时最短路径T 1 一T I=0，T 1 一T 7=2，T 1一T 8=2以T 8 为中间点，从T 1 一T 8 这条最短路径开始找选入T 6，此时S=此时最短路径T 83、1-*T I=0，T 1-*T 7=2，T 1一T 8=2 T 1 一T 6=3 5以T 6 为中间点，从T 1-T 6 这条最短路径开始找选入T 2，此时S=此时最短路径T 1 一T I=0，T 1 一T 7=2，T 1一T 8=2，T 1 一T 6=3 5，T 1 一T 2=3 5以T 2 为中间点，从T 1 一T 2 这条最短路径开始找选入T 5，此时S=此时最短路径T 1 一T I=0，T 1 一T 7=2，T 1-*T 8=2，T 1 一T 6=3 5，T 1 一T 2=3 5，T 1 一T 6，T 5=6以T 5 为中间点，从T l T 6 一T 5 这条最短路径开始找选入T 3，84、此时S=此时最短路径T 1-+T I=0，T 1 一T 7=2，T 1一T 8=2，T 1 一T 6=3 5，T 1 一T 2 3 5,T 1 一T 6一T 5=6 T 1 一T 2 一T 3=6以T 3 为中间点，从T 1 一T 2 一T 3 这条最U=T 2、T 3、T 4、T 5、T 6、T 7、T 8 T 1 一T 2=3 5T 1 一T 6=3 5T 1 一T 7=2T 1 一T 8=2T 1 一其他点=O O发现T 1 一T 7，T 1 一T 8 点权值为最短U=T 2、T 3、T 4、T 5、T 6、T 8 T 1 一T 7 一T 6=5 5(比第一步T 1-*T 6=3 5 要85、长)此时T 6 的权值更改为T 1 一T 6=3 5T 1 一T 7 一其他点=0 0发现第一步中T 1 一T 8=2 的权值为最短U=fT 2、T 3、T 4、T 5、T 6 T 1 一T 8 一T 2=5 5(比第一步T 1-T 2=3 5 要长)此时T 2 的权值更改为T 1-*T 6=3 5T 1 一T 8 一其他点=0 0发现第一步中的T 1 一T 6=3 5 权值为最短U=fT 2、T 3、T 4、T 5 T 1 一T 6 一T 5=6T 1 一T 6 一其他点=0 0发现第一步中T 1-T 2=3 5 的权值为最短U=f T 3、T 4、T 5 T 1，T 2 一T 3=6T 186、 一T 2 一其他点=0 0发现第四步中的T 1 一T 6 一T 5=6 的权值为最短u=T 3、T 4)T 1 一T 6 一T 5 一T 4=8 5T 1 一T 6 一T 5 一其他点=o。发现第五步中的T 1 一T 2 一T 3=6 的权值为最短U 2 T 4 T 1 一T 2 一T 3 一T 4=9 5(比第六步中的T 1 一T 6 一T 5 一T 4=8 5 要长)此时T 4的权值更改为T 1 T 6T 5T 4=8 5发现T 1 一T 6 一T 5 一T 4=8 5 的权值为最短3 5万方数据3 智慧工厂实验系统相关技术应用设计硕士学位论文若以其他点为起始点时，算法同理，从而得到A 87、G V 小车的最短路径。在得到小车最短路径之后，还需要将小车路径信息转换成小车的动作命令。需要对照在程序中提前写好每个相邻站点间的动作命令，再根据路径轨迹得到小车由指定起始点到指定目标站点的动作命令。以T 1 一T 2 一T 3=6 为例，T 1 一T 2 中间的动作为先直行然后在第一条岔路口左转弯，T 2 一T 3 为直行。在系统中用0-2 表示A G V 小车在每个站点的动作情况，0 表示直行，1表示左转弯，2 表示右转弯，将A G V 小车的动作表示成0、1、0，因为A G V 小车默认起步后直行，所以第一位的0 不写入系统，A G V 小车的动作1、0 对应写入数据库A G V小车控制88、表中的岔路口1 转向和岔路口2 转向，给A G V 小车的发送的动作命令即行走三站，岔路口1 左转弯，岔路口2 直行。3 3 本章小结在本章中主要对智慧工厂实验系统中的相关技术进行应用研究，主要是R F I D 技术和A G V 路径规划技术，研究了R F I D 技术的基本工作原理，针对仓储、加工、测量、装配的过程中的R F I D 技术的应用情况进行设计。之后介绍了A G V 小车的工作原理，并针对A G V 小车的路线图做了路径规划算法的研究。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发4 智慧工厂实验系统开发软件系统的开发是将设计方案转化为真实的可执行软件系统的过程，在89、智慧工厂实验系统的开发过程中最重要的就是两点：软件开发和数据库设计。本章根据实验系统的操作需求等特性，选择合适的开发工具和后台数据库，在设计过程中优化代码、优化数据操作，开发出运行高效，性能稳定的智慧工厂实验系统。4 1 系统开发运行环境环境系统软件的开发平台为W i n d o w sX P 7，采用V i s u a lC+6 0 作为编程开发工具，采用面向对象的设计方法。智慧工厂实验系统的运行模式采用基于局域网的客户端朋艮务器(C S)模式。以S Q LS e r v e r 2 0 0 8 作为系统后台数据库，各计算机通过O D B C 数据源管理工具连接到数据库服务器。目前，基于C 90、S 模式的网络通信模型是使用最广、最为基础的通信模型 55 1。在这种模式下，一方为用户使用的客户机程序，一方为后台数据库服务器。数据存储在服务器的数据库中，确保了数据的唯一性和准确性，用户连接时，把数据传输、显示到客户机上，然后由用户在客户机上加工处理数据 3 7 1。可以支持多个用户同时访问数据库。通过实验室内的局域网，实验系统的各个单元既能自成系统，又能通过控制单元实现统一地调度和控制。4 2 软件系统模块设计根据第二章中对智慧工厂实验系统的整体规划，实验系统的软件架构分为三层，制造执行系统(M a n u f a c t u r i n gE x e c u t i o nS y s 91、t e m)简称M E S 软件(管理层)、柔性制造系统(F l e x i b l eM a n u f a c t u r eS y s t e m)简称F M S 软件(控制层)、设备层控制软件(现场层，各设备下位机控制软件等)。其中M E S 软件已经具备，是广州某公司开发的M E S 系统。需要研发一套中间层的F M S 软件承接M E S 系统，集中调度和控制下层单元。中间层的F M S 系统的既要承接M E S 下发的任务，也要具备独立操作和监控系统中设备的能力，为方便用户使用，需要具备完备的功能并划分成详细的模块，本章中对系统进行总体功能模块设计，并针对系统中的主要功能模块，堆92、垛机控制模块、A G V 小车控制模块、生产装配模块、集成调度模块、电子标签辅助拣选模块、自动分拣模块等模块进行设计和开发。4 2 1 软件模块总体设计万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文整个实验系统的控制工程应该保证上层管理软件主要负责对工艺过程的安排和订单的下达，中间层软件在读取任务后对任务进行自动化的集成调度，也可以手动控制每一模块，完成加工任务。用户控制流程如图4 1 所示。首先是生产准备阶段，生产准备阶段主要包括加工文件的准备和装配文件的准备，搬运机器人的编程等。其次，用户通过管理层的M E S 系统配置工艺流程单，工艺流程单中设置相应产品代码需要进行的设备动作，并将相关操作93、写入工艺流程表中。然后用户再在工艺流程单列表里选择恰当的工艺流程，编辑订单信息，发送到中间层控制调度软件，中间层软件读取命令，然后集成调度各设备，给各设备发送命令，并根据各设备和传感器反馈的信息决定下一步动作。管理层控制层现场层图4 1 用户控制流程由于智慧工厂实验系统功能较多，为方便用户操作和展示，也考虑到对于各个模块的单独操作和对整个系统的操作，故根据系统划分为多个模块。根据第二章2 3 小节中的内容，对实验系统做了功能的设计，但是在实际开发过程中，需要对功能进行整合和分配，例如装配功能，需要按照智能装配和手动装配分为两个模块分别进行控制，并且还需要根据实际需求增加集成控制的模块，能够自动94、执行生产任务，监控各设备动作情况。这次上位机软件设计中对堆垛机控制模块、A G V 下车控制模块、生产装配系统、集成调度模块等主要模块的控制过程进行设计。上位机软件的软件组成如图4 2 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工广实验系统的设计与开发F M S 上位机软件登录模块软件主界面堆垛机控A G V 控制生产装配集成控制自动分拣辅助拣选智能加工机器人控系统设、制模块模块模块模块模块模块模块制模块模块一r L r。_ 1 _ _ r _ r。-J。_。一r u u选R F动状任动状任动任：任要R F任R F动任动择动选箨言二I。PI Dl 作态务作态务作务：务设I D务l D作务作加作95、择控选圣读i 控显显控显显控读显备读添读控读控工控动；制；择置写制示一一状。写加写带0取帝0又带I作不制示示制取不忿件，信息通信(数据采集、指令发送)温湿度传感器堆垛机、A G V、铣床等：R F I D 读写器图4 2 上位机软件组成在打开软件并且登录之后，系统首先会自动进行初始化数据库和数据采集。初始化数据库操作，包括分配环境句柄、分配连接句柄、建立连接、分配语句句柄等过程，保证程序能够连接数据库并进行数据库操作，过程如图4 3 所示。程序进行初始化操作过程中，根据O D B CA P I 反馈的执行结果分析数据库初始化中发现的异常。一一开始j进行初始化数据库操作0分析A P I 执行结果96、一分析A P 执行结果0是看轰高勒始否上、化数据库，7提不用尸、，l 是一一，图4 3 初始化数据库流程万方数据三堕：兰验系统开发硕士学位论文一在完成数据库初始化操作，确定数据源已经正确配置后，需要打开系统中的无线通讯端口，程序通过读取注册表中信息，查看端口号信息，并尝试打开端口。同时，上位机通过系统中的U S B 5 9 3 5 数据采集卡采集温湿度传感器和电流传感器的信息，得到实验室中的温度、湿度以及设备的电流等环境运行参数的过程如图4 4 所示。开始j一：二 二一创建设备对象结柬、*-一图4 4 检测环境运行参数流程在完成初始化数据库并打开无线通讯模块后就可以对各功能模块进行操作了。4 97、2 2 堆垛机控制模块设计仓储管理是智慧工厂实验系统中最为重要的功能之一，对立体仓库功能的操作管理主要是通过控制堆垛机的动作来实现的。对于立体仓库的操作主要分为单机操作和联机操作，在单机状态下，用户可以通过中间层控制调度软件直接控制堆垛机的操作。堆垛机模块中不仅要实现入库、出库、调库等功能，还能实时监控堆垛机的状态。1)堆垛机的单机控制界面需要有满足的操作主要有：入库操作：将货物由入货口送到指定仓位：出库操作：将指定仓位的货物通过堆垛机送至出货口：万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发调库操作：将指定仓位的货物通过堆垛机与另一指定仓位的货物进行对调或直接调入空仓位；盘点操98、作：将指定仓位的货物取出通过堆垛机送至出货台，然后通过顶升平移机构将货物送入盘点区域，再送至入货台，由堆垛机送至原来的仓位；移库操作：将指定仓位的货物通过堆垛机移至某空仓位。以出库操作为例，用户需要在界面中输入或选择需要进行出库操作的仓位，堆垛机控制模块的出库操作流程图如图4 5 所示。开始一f 一选择出库仓位s h e l f N o、r o w N o、C O i N o一一F 结束、一一一。，图4 5 出库操作流程图仓位货物的信息都是储存在数据库的仓储信息表中，每个仓位的仓位编号(w a r ei d)都是固定值，仓位的排序规则是先后排再前排、先行后列。4 1万方数据一4 智慧工厂实验系99、统开发硕士学位论文仓位编号的计算过程如表4 1 所示。表4 1 仓位编号计算过翟=一一选择货架计算仓位编号_：=一一一选择后排货架w a r ei d=r o，n o*m a xc 0 1 0+c 0 1n o+1s h e l f N o=0其中r o w n o 是行数编号(第一行r O Wn o=O、第二行r o w n o=l 以此类推)：m a x c o l 0 是后排货架列总数；c o l n o 是列编号(第一列c o ln o=O、第二列c o l n o=l 以此类推)选择前排货架w a r e i d=m a x c o l 0 一w a r e c o u n t+r 100、o w n o 木m a x c o ls h e l f N 0 2=1l+c o l n o+l其中m a x c o 0 一w a r e c o u n t 是后排货架仓位总数，为固定值m a x c o l l 是前排货架列总数其余项同上一2)堆垛机联机控制模块中，暂时只设计了立体仓库的出库和入库过程。在堆垛机控制的联机操作中，需要在堆垛机控制界面切换到联机模式，系统会自动读取任务，然后在上层管理系统中输入堆垛机的任务类型(入库和出库)、产品编码等信息。对于入库命令，系统会在入货口用读写器核对产品编码正确后将货物送入仓位编号最小的空仓位；对于出库命令，系统会在仓储信启、表中从上到下核101、对产品编码，将符合条件的仓位中的货物运送至出货V 1。4 2 3A G V 小车控制模块设计A G V 小车的控制模块也要分为单机控制和联机控制部分，在A G V 控制界面中主要实现的还是A G V 小车的单机控制功能和A G V 小车的状态监控。对于A G V 的单机控制，主要通过在界面中选择起始站点和终点来确定A G V 小车的路径。A G V 小车需要在出货台、入货台、自动运输线、生产装配线之间进行运输，通过滚筒的操作进行入货和出货，所以要A G V 小车完成运输动作，需要运输路线的起始站点和终点站点。在界面中输入或选择需要添加的路径的起始位置和终点位置，还可以输入滚筒的动作，有左侧出货102、左侧入货、右侧出货、右侧入货还有不动作，如没有选择滚筒的动作，则滚筒默认不动作。在输入A G V 小车的动作信息后系统会自动规划小车的路径，关于小车的路径规划算法在第三章中已经提到过，得到小车路径之后，将小车的路径动作信息写入数据库，并在界面中的表格中显示出来。用户可以选择设置的路径选择执行命令，4 2万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发上位机会把命令发送到A G V 小车中，从而完成A G V 小车的任务命令。A G V 小车的单机控制流程如图4 6 所示。开始、一了一；选择A G V J、车动作起始点、目。标站点、滚筒动作等信息最少要填写起始站和目标站点毒点击添加103、路径：图4 6A G V 小车控制流程图4 2 4 生产装配控制模块设计生产装配单元由微型流水线和6 个微型生产装配工位组成，承载工件的托盘由A G V小车送到流水线，从第一个工位开始到一直送到第六个工位，在每一个工位都可以会有挡板将托盘挡住，当此工位上的加工或装配工序已经完成后，工位上的工人可以通过按下工位旁的控制按钮降下挡板，将托盘送至下一工位。还可以在上位机中设置好工位的万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文定时，托盘在指定工位停留预先设定的时间，系统直接控制挡板降下，不需要额外的操作。这里主要设计上位机中生产装配控制模块中对每个工位的阻挡动作的选择和节拍时间的设置。生产装配线的控104、制模块流程图如图4 7 所示。生产装配控制界面中主要包括对于阻挡工位的选择和定时时间的设定，阻挡工位从工位一到工位六，可勾选，最少选择一项，定时时间单位为秒。阻挡工位和定时时间的设定会写入数据库中的生产计划装配表中。开始、一烹一一一一选择阻挡工位(可多选)、定H 寸n,-：i-间”一一一七点击发送命令结束图4 7 生产装配线控制流程4 2 5 智能加工线模块智能加工线主要包括生产加工线和搬运机器人及行走机构的集成控制。通过智能加工线的控制能够将待加工件合理调度，选择合适的工位进行加工操作。智能加工线的控制界面主要包括生产加工线的控制部分和搬运机器人的控制部分。生产；h n T _ 线的控制界面105、有控制加工线运行和停止的按钮，点击运行，加工线开始滚动。选择货物起始站点和货物目标站点，点击出货，等待A G V 小车将货物运送到起始万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发站点后，加工线通过对挡板和顶升平移机构的控制来实现将货物运送到指定位置的任务。机器人和行走机构的控制也是通过对站点和机器人程序的选择来实现的，用户在界面中选择行走机构的站点和机器人的动作，然后点击运行。系统会控制行走机构行走到指定站点，在接收到行走机构执行完成的反馈命令后，会发送给机器人抓取或放下等动作。4 2 6 集成调度模块设计集成调度模块是对于系统功能应用最多的模块，过程通过自主设计，可以应用到堆106、垛机、A G V 小车、自动运输线、加工系统、机器人、自动分拣、电子标签辅助拣选、生产装配线等实验系统中的各个单元或设备。集成调度模块界面中主要显示当前执行订单中各设备的动作任务，主要有堆垛机的任务，包括任务类型、产品编码等信息；A G V 小车任务，包括当前站点、目标站点、滚筒动作等；加工任务，包括铣床弹1 加工文件、铣床2 加工文件、是否装配、装配文件、是否检测、搬运机器人动作等；行走机构任务，包括行走机构的目标站点，状态等；自动分拣任务，主要包括货物条码和分拣口：还有生产装配系统的节拍时间、电子标签辅助拣选的拣选单号，自动运输线的任务等。在集成调度过程中，首先要在M E S 系统中配置工107、艺流程表，工艺流程表中是针对特定产品编码设定的设备动作流程和动作命令，当订单下达后，系统会根据读取的产品编码进行和设备的状态对加工过程进行控制。在集成调度界面中主要是对当前执行订单中各设备当前正在执行命令的监控。对设备的执行情况在后台运行，并没有显示在界面中。集成调度控制模块控制流程如图4 8 所示。4 5万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文了一i=1，编号最大为n结束、一图4 8 集成调度控制流程4 2 7 自动分拣模块设计自动分拣功能主要是通过读取R F I D 电子标签中的产品编码实现对货物的识别，然后对货物进行分拣，自动分拣控制界面主要实现分拣任务的添加、R F I D 条码的108、扫描、分拣线的启动和停止。用户在添加任务界面输入8 位的货物编码，并选择对应的分拣口，点击添加任务，数据被写入数据库中自动分拣控制表，可以添加多个任务。当货物被A G V 小车送入自动分拣线，R F I D 读写器读取托盘上的电子标签中的货物编码，反馈给上位机软件，通过与数据库中的货物编码对照，选择任务中设定的分拣口，对货物进行分拣。自动分拣模块的工作流程如图4 9 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发查找分拣任务结束、一，。图4 9 自动分拣工作流程4 2 8 电子标签辅助拣选模块设计电子标签辅助拣选的工作原理主要是利用电子标签显示功能取代拣货单，管理人员通过上109、位机软件下达拣货单，拣货信息会直接显示在货架上的电子标签显示屏上，拣货人员通过观察货架上的电子标签上的拣货信息，实现快速的拣货。智慧工厂实验系统中的电子标签辅助拣选单元主要由两排货架，八个货位，电子标签辅助拣选界面中主要包括订单选择和模拟货架显示，管理人员通过M E S 系统编写拣货订单，控制调度软件在订单列表中选择订单，再发给下位机软件中，并将拣货信息在拣货控制界面中的模拟货架显示中显示出来。拣货人员完成拣货任务后，按下电子标签旁边的按钮，完成拣货任务，数据库中拣货单的拣货状态也会显示为已完成。4 2 9 其他模块设计除以上模块以外，在实验系统内还有一些功能简单的模块，包括铣床加工模块、装配110、机器人模块、初始化任务数据模块、系统设置模块等。下面对这几个模块进行简单设计：1)铣床加工模块和装配机器人模块类似，主要是选择加工文件或装配文件，然后控制设备的运行和停止。界面内除了选择文件、运行、停止操作外，还应该具有设备状态显示；2)初始化任务数据模块主要是针对数据库的操作，能够一键清空数据库中各设备的任务列表。初始化任务数据是一键式的操作，可以将数据初始化功能放在主界面中；一享，、卜Z一一，、读一一万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文3)系统设置模块是针对无线通讯模块端口的设置和主机I P 的设置。4 2 1 0 通信协议设计在控制层与各设备下位机软件进行数据过程中，需要对通信命111、令的发送进行格式化，以便下位机能够正确识别任务命令。下面主要介绍实验系统中用到的两种协议格式。1)控制层的控制电脑和A G V、堆垛机等各设备之间的具体信息指令信息将采取以下格式：D O D 80 x 2 ET 1T 2T 3 r n信息帧的格式定义如表4 2 所示。表4 2 信息帧格式定义表名称设置内容有效信息部分，由9 位数字组成，具体命令根据下位机程宇决定小数点发送数据站点，源地址接收数据站点，目的地址简单的数据校验，计算方法为D 0 D 8，T 1，T 2 共1 1 个数字；数字范围在O 9 之间以回车和换行作为信息帧的结束标志控制层软件给每个设备传输的信息帧中D O D 8 部分的格112、式都不同，堆垛机和A G V小车的通信数据帧格式设计如表4 3 4 4 所示：表4 3 堆垛机通信数据帧格式名称设置内容任务类型，出库、入库、移库、调库、盘点取货货架取货行取货列(1 9)取货列(9 以上)放货货架放货行放货列(1 9)放货列(9 以上)4 8帅燃n他B012345678DDDDDDDDD万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发2)下面介绍控制软件和铣床设备下位机之间的信息帧格式设计，铣床 1 和铣床2的控制命令如下：铣床 l 发送控制命令：2 料舳铣床2 发送控制命令：3 料舳每个部分所代表的意义如表4 5 所示。表4 5 铣床控制通信数据帧格式名称设置内113、容其中的铣床命令如表4 6 所示。表4 6 铣床作业任务命令表万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文4 3 系统数据库设计4 3 1 数据库设计需求系统数据库的设计包括数据库的结构设计和数据库的行为设计 5 6 1。数据库的结构设计包括数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计，又叫做数据库的静态模型设计。数据库的行为设计，也叫做数据库的动态模型设计，是指用户对数据库进行一定的操作，这些操作主要通过上位机应用软件来实现，所以数据库的行为设计也就是软件设计开发的一部分。首先进行数据库的静态模型设计的需求分析。智慧工厂实验系统的数据库不光要满足对系统内基本信息的管理，还作为上层管理层软件和中间控制114、层软件的数据交换枢纽。上层软件需要通过对数据库的操作，将订单信息记录到数据库中，然后中间层软件读取任务。智慧工厂实验系统的数据库首先要实现对数据的管理，主要有以下几个方面：I)用户信息：主要存储了使用智慧工厂实验系统的用户的相关信息，包括用户编号、姓名、职务、联系方式、权限等信息；2)订单信息：主要存储订单的相关信息，包括订单的订单号、下单日期、下单人员、工艺名称、M E S 编号等：3)物料信息：主要是物料的基本信息、储存位置、货物编码、价格等，主要是立体仓库中的货物信息，电子标签辅助拣选货架中的货物信息等；4)设备状态信息：记录实验平台中各主要设备的工作运行状态，主要包括堆垛机、A G V115、铣床、机器人、输送线等各设备的使用状态，还有包括设备编号、设备状态；5)设备控制信息：主要储存设备单元的详细动作信息，如A G V 小车的行驶方向、转弯、滚筒出入货等动作、堆垛机出库、入库、调库移库等动作，对应的工单号等。管理人员通过上层管理软件下达工作任务，发送给中间层控制软件，之后由中间层调度控制下层单元的动作函数，完成相应的任务。数据库的动态模型设计也就是应用程序对数据库的操作设计。在应用程序对数据库操作之前，首先要保证应用程序能够正常访问数据库，也就是需要先应用程序访问数据库的过程和方式进行设计。应用程序中具有添加任务、删除任务、初始化任务数据等操作都是对数据库的操作，需要在数据库动116、态模型设计中完成这些操作的设计。4 3 2 数据表模型建立数据库组织结构的模型化表示，即数据库的数据模型，主要有三类，包括层次数据模型、网状数据模型和关系数据模型等 5 7 。1)层次数据模型。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发层次数据模型(H i e r a r c h i c a lD a t am o d e l)是将实体类型及实体间联系用层次结构的数学模型表示出来。层次数据库的模型为树形结构，树形结构中的节点为实体，树枝部分为实体之间的联系。这样的体系结构访问数据的过程非常快速，但也有一定的缺点，就是容易出现大量冗余的数据，所以不支持数据间的复杂联系。2)网状117、数据模型。现实世界中事物之间的联系更多的是非层次关系的，用层次模型表示会显得不直观，所以就用到了网状数据模型，它能够非常灵活有效的描述这些实体之间的关系。网络数据模型用有向图结构来表示实体和实体之间的关系，有向图中的节点为数据模型中的实体，有向图中的边为实体之间的联系。3)关系数据模型。关系数据模型是建立在实体关系基础上的数据模型，关系模型中包括关系数据结构、关系操作和关系完整约束。它是用一张二维的表格来描述实体之间的联系。可以实现用S Q L 语言在一个表和多个表中进行复杂的查询和更改，能实现对安全性要求很高的数据访问。实验系统中的数据库采用关系型数据库。设计数据库首先需要完成数据库E R 118、图模型设计【5 引，E R 图也称实体联系图，主要提供了表示实体类型、属性和联系的方法，用来描述现实世界的概念模型。然后将E R 图转变成数据库中的表和表关系，关系型数据库是多个关系表的的设计，关系型数据表的设计主要是数据库关系表的结构设计。根据实验系统数据库设计的需求，找到实体和属性，画出智慧工厂实验系统的数据库部分数据的E R 图如图4 1 0 所示。万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文，一磊、，萼森：、鉴薯，、?，j j、。一j 妻竺登、一，1|、羔一一一一一。矗、j?竺-4 4-,古兰-H 脏文件、j，7 矗、一一刍监，0 _ _ 一加工又仵，j7 绽昱i、毒I -L 1 5 119、L -i 誊I?、s 姜g 眵警I 蔓j0、竺，7 弋、警竺篁 梦、芝，、|I 蔫-j-，7、I 参、7，-、蠢、?蹩：字段名称数据类型是否主键备注序号i d工单号O r d e rN u m工艺名称O r d e rN a m e整型字符字符万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发订单日期O r d e r d a t e订单状态O r d e rS t a r e s字符整型否否下单用户H a n d l e r s字符否O 未执行：1 正在执行：2 执行完成对实验系统内各设备或单元进行编号：1 一堆垛机；2 一行走机构；3-A G V；4 一自动分拣；5 一电子标签辅120、助拣选；6 一人工装配线；7 一铣床 1；8 一铣床 2；9 一装配机器人；A 一自动输送线；B 一一键式测量仪；C 搬运机器人。表4 9 设备状态表万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文表4 1 1 堆垛机控制表5 4万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发表4 1 3A G V 小车控制表万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文娩j 马鬻二臻区二絮箩j事，黧鬻区一黧万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发在智慧工厂的数据库操作中，查询操作是非常重要的操作步骤，应用查询命令最多的就是对仓储信息的查询，对设备状态的查询等。通过T S Q L 语121、言中的S E L E C T 命令来实现查询功能。例如，软件中的堆垛机控制模块中，需要在界面中显示任务，这里用到的就是查询功能，通过T S Q L 语言中的S E L E C T 命令查询数据库中堆垛机控制表中的序号、类型、条码、取货架、取货行、取货列、放货架、放货行、放货列，状态，备注相关信息，并将相应信息对应好顺序显示在界面中的任务列表中，S E L E C T 命令如下：”S E L E C Ti d，t a s k t y p e，p c o d e，f r o m _ s h e l f,f r o m _ r o w，f r o m _ c o l，t o s h e l f,t 122、o _ r o w，t o _ c o l，d s t a t u s，m e m of r o mD D J c t r l”此外还有保存在数据库中的各设备状态，软件也通过S E L E C 命令查询获得状态对应参数。2)数据的更新数据的更新是对数据库中数据的更改操作，系统通过T S Q L 语言中的U P D A T E 命令更改数据库中的数据。主要应用的地方就是实现对设备状态的及时更新。例如，在堆垛机执行完相关任务之后，将堆垛机控制表中对应序号的行中堆垛机状态d s t a t u s 的值改为“2”，代表执行完成。U P D A T E 命令如下：”U P D A T ED D J c123、 t r lS e td s t a t u s-2w h e r ei d=d 1”3)数据的插入数据的插入主要是在任务列表中添加新的内容，通过T S Q L 语言中I N S E R T 命令实现，主要应用在添加任务的过程中。例如，在A G V 小车控制模块中，需要通过添加路径操作将A G V 小车的控制信息写入数据库的数据表中，添加A G V 小车从T 1 站点到T 2 站点的命令如下：”I N S E R TI N T OA G V c t r l(a g v t y p e，g o a l s t a t i o n，r o l l i n g，a t i m e，d i r e c124、 t i o n，m o v e l，a g v s t a t u s)V A L U E S(2，2，4，0，0，1，1)”4)数据的删除和清空数据的删除和数据的清空都是对表中数据的删除操作，但是也有一定的区别。数据的删除通过T S Q L 语言中的D E L E T E 命令来实现，数据的清空通过T S Q L 语言中的T R U N C A T ET A B L E 命令来实现。D E L E T E 命令是有条件的删除，可以单独删除某一行，也可以清空表中数据，不释放空间，可以回退，速度较慢；T R U N C A T ET A B L E 命令是直接清空表中数据，并释放空间，不可回退125、，删除速度较快。所以在能够应用T R U N C A T ET A B L E 命令的时候应尽量使用T R U N C A T ET A B L E 命令，能够节约系统占用的资源。例如在A G V 控制模块中，有清空路径任务，需要清空整个A G V 控制表，通过T R U N C A T ET A B L E 命令来实现，命令内容如下：”T R Ir N C A T ET A B I，EA G Vc t r l”万方数据4 智慧工厂实验系统开发硕士学位论文在单独删除某一路径任务时使用D E L E T E 命令，命令内容如下：”D E L E T Ef r o mA G Vc t r lw h126、 e r ei d=d t”4 4 本章小结在本章中主要介绍了智慧工厂实验系统软件系统的开发工作，首先介绍了系统的软硬件配置情况，然后针对实验系统的各功能模块进行了设计，介绍了各个模块的功能及实现，之后根据系统对数据库的需求进行了数据库设计，主要是数据库的结构设计以及数据库的访问和操作。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发5 系统测试及运行系统开发完成后需要对系统进行测试以确保系统能够正常运行，并且运行结果符合设计要求。根据本项目的要求，需要对仓储、A G V、生产装配线、集成调度、自动分拣等主要模块进行测试。测试的目的：保证上层系统、中间层系统和下层各设备的下位机软件127、之间的无缝对接；软件的功能完备；界面的简洁和信息的完备。测试的方法：完成系统准备工作，在仓储界面中条码写入、完成入库和出库动作等；在A G V 界面中完成路径添加和动作的执行；在生产装配线控制界面选择部分工位进行阻挡，设置工位定时；在集成调度监控界面中读取任务并观察界面监控信息；在自动分拣任务界面中添加分拣任务，并执行。5 1 系统准备5 1 1 控件注册系统运行之前需要注册相关控件，主要需要注册的控件主要有两个A c t i v e X 控件，为M S C O M M 3 2 O C X 控件和M S W I N S C K O C X 控件，建立W i n d o w s 批处理文件来完成128、控件的注册过程。5 1 2 数据源配置及测试在电脑的控制面板中选择系统安全，在系统安全界面中点击管理工具，选择O D B C数据源，然后按照以下步骤进行数据源配置：1)选择系统数据源；2)选择S Q LS e r v e r；3)为数据源命名，选择服务器名称：4)修改登录验证信息、默认数据库等；5)点击测试数据源。测试结果界面如图5 1 所示。万方数据5 系统测试及运行硕士学位论文图5 1 数据源测试界面5 1 3 测试现场在测试过程中需要用到的设备主要有：立体仓库和堆垛机、R F I D 读写器和电子标签、A G V 小车、两台铣床、自动运输线等设备，如表5 1 所示。表5 1 测试设备表设129、备名称数量立体仓库货架堆垛机R F I D 读写器及标签A G V 小车铣床自动运输线搬运机器人及导轨装配机器人生产装配线电子标签辅助拣选货架及运输线自动化分拣线两排一 二、口若干一 二、口两台一右云一容一二考：云一套一套一套将参与测试的设备按照之前设计的系统整体布局布置在一个平台上，作为系统测试过程中的测试现场，如图5 2 所示。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发图5 2 测试现场图5 1 4 实验对象整个实验系统的设计模拟的是铭刻雕刻厂的生产过程，在测试过程中假定的加工对象为小型精雕件底座，需要在5 0*5 0*2 0(单位：m m)的塑料块上雕刻出3 0 木3 130、0：t：1 0(单位：m m)的凹槽用来安装精雕件的主体部分，加工对象凹槽及尺寸要求如图5 3 所示：5 2 测试及运行图5 3 加工对象及尺寸要求5 2 1 软件主界面在完成数据源配置后打开软件，软件的主界面如图5 4 所示。系统检测到设备电流值为4 6 A，温度为2 8。C，湿度为4 3，平台的工作环境需要在1 0。C+4 0，相对湿度茎8 5，工作时设备电流值处在4 A -8 A 之间为正常状态，环境参数符合条件，试验平台能够正常测试。6 l万方数据5 系统测试及运行硕士学位论文界面中可以打开A G V 控制系统、堆垛机控制系统、生产装配系统、集成调度软件、电子标签辅助拣选、2 D 测量131、仪、自动分拣系统、智能加工系统、铣床加工、搬运机器人、初始化任务数据、系统设置。还能在界面中监测到无线控制模块发送的命令情况。以下仅对系统的主要功能进行测试介绍。蠹一霸噼婶晦馘隧鏊i 麓畿一童磁删薯【二=二鼋缝穰糍掰誊文箍臻灞霉蠛攘辍燕簸o2 礴瓣懿，i。羔，“M卷芦粥秘激t 囊霸期喇辫藏蓦j；垂蓦蓦、蓦*，穗羔誊蓦：“薯氍麓薹蒹蟪、。：“i 蔫毒鞲蠹榭图5 4 软件主界面5 2 2 仓储管理功能模块测试首先对仓储单元进行单机测试，在测试之间先对入库货物进行编码操作，在R F I D编码写入框中写入八位数货物编码0 0 0 0 0 0 0 1，点击“写”按钮，并观察R F I D 扫描框，若R132、 F I D 扫描框也显示“0 0 0 0 0 0 0 1”，则编码写入成功，如图5 5 所示。丽黼舅舞啊丽黼图5 5R F I D 写入编码接下来进行堆垛机单机控制模式下的入库操作，首先观察堆垛机的连接状态，为“堆垛机在线”，然后在堆垛机控制界面中选择后排货架，第二行、第二列，点击“入库”，任务显示在界面下方的任务列表中，堆垛机开始工作，堆垛机状态显示为入库中，如图5 6 所示。一鼍；一万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发毒羚嚣一鬻辘矮凳黪裁攮释i壤簿枫飘零童蠢俘娃i辫,矮d 绶l 程镳i 了曩。鼍孑墨一一空溺l 建礤攀i 瓣赫j 篡一、?”一j”一一-|。疆嗡捕饶絷133、，一疆 瓣疆；图5 6 入库操作界面在进行入库操作后，立体仓库的后排货架中的第二行第二列为有货状态，开始进行出库测试。在取货位选择货架为后排货架、行数为2 行、列数为2 列，点击“出库”。堆垛机将托盘运送出库，任务动作显示在界面中的任务列表中。堆垛机开始进行出库操作，界面如图5 7 所示。，缮错I 辫早群拦#g“一一一一一髓葵行龅孕i 教酗稽祷霹琵零1 阿曩墓蔓“入库中盘煮中盘点l滑痒；4 潺摩中辅赞蒋毒凳熹与高毛。聂j 亨”移库审辅赞待器瀚；i i iF 孬i jr 嚣啊垒要。i三量l户主三畜霉备注：奉遥巍攀壤摄霞，为确保系统数据完整，不戆改系誓：二、菇墨ir 一嗣一零要执行回零羹霾囊：葺摆134、持寺馋螽匿翮俞储黏据一塾。l j 箬f|三：薹r 一竹俘莓v 歉蹿操作螽，请援持立馋龟痒和仓储数据一致。“。二“。“停攀。醒洱t h鳓跫萄攒嚣絮。l 蔓，要嚣r：图5 7 出库操作5 2 3A G V 小车运行测试对A G V 小车的单机控制模式进行测试，控制A G V 小车将货物从立体仓库出货口运送至自动运输线的铣床 1 位置，首先将A G V 小车摆放至T 1 位置，小车车头方向朝入货口T 2 方向，然后在界面中选择起始站为T 1，目标站为T 2，滚筒动作为右侧出货，点击“添加路径”。系统通过路径规划算法得出小车的路径，并转换成小车的动作情况，万方数据5 系统测试及运行硕士学位论文显示在A135、 G V 小车任务列表中。选择要执行的路径，点击路径执行，小车开始动作。A G V小车控制界面如图5 8 所示。!翌翼秽鬻!曼竺!黑黧鐾黧黧篓竺篓竺!黑黧黧懋鬈鬈黧竺!黧璧黛j i#章掰臻菇硝羽l 茄一蔫窑黯疑，越齄站直，；，露摇懿j，一一；鞣磊i 蓄蓉棒插V 运好审到站俸车P 正在装卸=瑶机运行竺兰蝴“黼姆1 纛_ i 女i 氅妻蓝，水末程缮堡!避篓墨堕 壬寿到襄v 一一一一一u懑篡=蜀疆露【刁夏薅夏=互睡黧露=匮纛，摇椎秀赫经搬释表一一v 一一一一一一一*一u uv”，v 一!t?订戤掣；。_ t。羁毒l 1 盎敬，ii图5 8 A G V 小车控制界面5 2 4 生产装配线运行测试在主界136、面中点击生产装配系统，打开界面如图5 9 所示，选择阻挡工位为工位1、工位2、工位3 和工位6，输入阻挡的节拍时间为2 s，点击发送指令。这时生产装配线开始运行，托盘到达选择的1、2、3、6 工位时会停留两秒，然后挡板降下，将托盘运送至下一工位，在4、5 工位不进行阻挡。系统将持续这一过程，直到用户点击停止运行。万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发图5 9 生产装酉己线控制界面5 2 5 集成调度监控界面测试在M E S 系统中首先设置加工的工艺流程，模拟雕刻产品的单件加工过程，从原材料出库到成品入库，设备工作流程为：堆垛机一A G V 小车一自动运输线一行走机构一搬运137、机器人一铣床一搬运机器人一自动运输线一行走机构一搬运机器人一自动测量仪一行走机构一搬运机器人一自动运输线一A G V 小车一堆垛机。在M E S 系统中编辑工艺流程单，将工单号命名为“A 0 0 0 0 1”，按照设备工作流程填写加工文件，选择设备动作。在系统主界面中点击集成调度软件，打开集成调度控制界面，点击执行读取任务。系统读取管理层M E S 系统写在数据库任务表中的订单表信息和对应的工艺流程表信息，按顺序执行任务。软件界面如图5 1 0 所示。万方数据5 系统测试及运行硕士学位论文鬈鬟；基三二登?：曩=警竺二i 赞鸫絷弱：厂量耋苎妻：i 兰：=一一瞽懿鞠。工一一劳拣0：f 一滚撼魂档；138、罂妻!镌瘴托溺F 如致粹：丽i 镞辑烹襁：1 瓣徽嬲；r 一赫l f 2=曝r 瑚工嫦：r 一铲觏徽善禽麓 是漱：r 一豁铡：r。黧竺l。蓥。舞毒丽；r 一捺遘机器人动律：正一装配交辞：厂奄予赫签鞲盼拣选岔牙嫩j，一?一。撼铲蕊态：甄磊爵摹一 子应够。镌一一一一一拣选订革弩：r 一题编彘：r 一赣态：r 糠氆妫：厂一w 靛惑醛域一一一搬运撬嚣A 空耀：当前运籽壤惫：正鬻洌鹾铣康￥1 靛悫：挺醛捌i 撬熬：i铣廉#2 状惑：行走壤掏誊前站点0图5 1 0 集成调度界面l蛰簪黛一熏裂5 2 6 自动分拣任务测试首先进行单机模式的自动分拣任务的添加，在人工指定分拣区输入编码“0 0 0 0 0 0 139、0 1”，然后在选择分拣口位置的下拉菜单中选择“分拣口1”，点击“添加任务”。同理添加分拣任务编码为“0 0 0 0 0 0 0 2”到“分拣口2”，两个任务都显示在界面的分拣任务栏中，在分拣口位置放置贴有电子标签的托盘，R F I D 扫描区域显示产品编码为“0 0 0 0 0 0 0 1”，系统开始执行分拣任务，自动分拣界面如图5 1 1 所示。一一一一一一厨目一一。一一一一一一一一一一一一垂万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发磊韵分拣整懿囊蠛*系统联虮一一v一一擞譬亍撬恋至霉 联概自动谤搽。一。，。一入工据鑫势拣v一一一R F T I)扫描登璧竺妻 f 霞溉i i140、 i 琶r缬镪藕确：貊丽谣添丽r 一选撵转练嚣：浮啜努拣狂舞槎圈俘疰运行l筚鬣启幼i赛弱j 击淼o 谴哇自动转拣媛在撼r 迳行审黪正转向i 口r 正转向2 曩r 俘撬I 懿投采搬5 2 7 测量结果统计分析图5 1 1 自动分拣控制界面在实验过程中，系统将控制自动化测量仪自动完成测量任务，自动化测量仪将测量数据自动保存在E x c e l 表格中，在测试过程中总共加工了2 0 个工件，得到了2 0 组数据，如表5 2 所示。表5 2 测量结果6 7万方数据5 系统测试及运行硕士学位论文从表5。2 中可以看出，自动化测量仪的精度可以达到0 1 微米，铣床加工的误差基本控制在0 S m m 以下，141、虽然无法满足工业标准，但作为教学设备而言已经基本满足设计需求。5 3 测试结论在以上的测试中，主要针对仓储界面、A G V 控制界面、生产装配线控制界面、集成调度控制界面和自动分拣任务控制界面等主要功能界面进行了测试。在测试过程中发现：1)整个实验系统中应用多项高新技术，既是一个整体又可自由分割，全部操作可通过一台计算机集成控制操作，符合智慧工厂柔性化、智慧化、无人化的特点，能良好地将智慧工厂的特征展现给同学们，达到了实验系统设计的最基本的目标：2)整个系统的功能完备，能够通过对某一模块的单独控制进行实验操作，也能对多个模块进行协同控制，也能实现对整个系统的集成控制。开发的控制调度软件能够顺利142、完成对整个实验系统的操作，操作流程符合企业基本情况，可以自行设计工作流程；3)开发的集成调度软件能够完成和实验系统的上、下层软件进行数据交换，在实验系统中起到调度控制的作用，能够实现在设备控制过程中对设备状态进行实时监控，界面简洁、大方，符合系统设计开发的需求。5 4 学生实验方案设计设计的智慧工厂实验平台设备众多功能齐全，可以满足多门课程的实验需求，教师可以根据教学的安排和课程的需求选择一台设备或几台设备自主安排实验的内容和过程。例如：1)仓储管理实验万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发实验设备：自动化立体仓库、堆垛机。实验目的：对立体仓库内存储的货物进行出库、入库、143、移库、调库、盘点等操作，让同学们了解仓储管理中的几个重要操作，认识到立体仓库和堆垛机的工作流程。2)物流供应链管理实验实验设备：主要有自动化立体仓库、A G V 小车、生产运输线、自动分拣线等设备。实验目的：通过对自动化立体仓库完成原材料入库、出库；A G V 小车和生产运输线的协同运输；成品的入库或分拣等操作，让学生们认识到智慧工厂内的物流供应链的流程和工厂内货物流通的手段。3)集成控制实验实验设备：智慧工厂实验平台实验目的：通过对智慧工厂实验平台中包括软件硬件在内的整个平台的操作完成产品设计、生产计划安排、原材料出库、加工、测量、装配分拣等一系列操作，让同学们认识到企业的生产作业流程，掌握144、M E S 软件和调度软件的使用。4)数控加工实验实验设备：数控铣床实验目的：学生可自主设计需要加工的对象，并在数控铣床内完成,D D Z 任务，让同学们了解到从产品设计到产品生产的过程。5)机器人操作实验实验设备：搬运机器人、装配机器人实验目的：通过对机器人进行编程操作完成货物的搬运、产品的装配等动作，让同学们了解到机器人的控制原理和编程。5 5 本章小结在本章中主要介绍了系统运行前的准备工作，并对系统中的主要功能模块进行了测试运行，并根据测试的过程和情况得到了测试的结论。并根据实验平台提出了几种实验方案。万方数据6 总结与展望论文硕士学位6 总结与展望6 1 总结本文是一个设计性课题，结合145、智慧工厂的理念和企业生产作业流程以及生产物流供应链流程，设计研发出一套用于教学实验的智慧工厂实验系统，实验系统中具备仓储、运输、搬运、生产、测量、装配、分拣等功能。系统加入了R H D、A G V 小车、搬运机器人、智能装配等现代化元素，体现了现代化制造产业发展中的先进技术。在论文的研究过程中主要进行了以下几项工作：1)分别根据智慧工厂的特征、针对企业生产作业流程、物流供应链流程和高校教学实验课程的需要，对智慧工厂实验系统进行了需求分析；2)根据分析，将系统的功能划分为各个功能单元，并对各个功能单元进行设计。从实验平台的整体布局、软件系统架构、网络搭建等三个方面进行了智慧工厂实验系统的整体规划146、；3)对实验系统中应用到的部分技术进行应用设计。首先是R F I D 技术的应用研究，主要针对实验系统仓储、生产、测量、装配四个阶段进行了应用设计，应用R F I D 技术达到了目标的智能识别和实时控制：4)其次是针对A G V 小车路径规划算法的研究，对小车的路径进行建模，并对路径图中的各边赋予权值，分析了几种主流路径规划算法的特点，选择了D i j k s t r a 算法对A G V 进行了路径规划过程的分析；5)分析了实验系统对数据库的需求，介绍了几种数据库的相关情况，选择了关系型数据库作为实验系统的数据库，并建立了数据库的E-R 模型，以S Q LS e r v e r 2 0 0 147、8R 2为数据库工具，建立数据库，设计了数据库的表和结构。并介绍了实验系统中关予数据库的几种操作；6)以V i s u a lc+作为开发工具，完成了软件系统模块的总体设计和堆垛机控制模块、A G V 小车控制模块、生产装配控制模块、智能加工模块等各个模块的设计，包括设备任务的添加、设备状态的监控、任务命令的发送等；7)对实验系统进行了测试，所开发的系统功能均能实现，达到了智慧工厂实验系统的研发目标。实验系统的开发完成了实验室的建设目标。智慧工厂实验系统在很大程度上还原了模拟案例企业的生产作业流程和物流供应链流程，并且作为机械类专业的综合性实验室万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统148、的设计与开发能够满足机械设计、机械加工工艺、数控机床加工及编程、物流管理、机器人技术、现代控制算法等多门课程的实验教学任务。实验平台能满足高校教师对机械类专业综合性实验室的需求，为教师提供了教学和实验的平台，也为学生提供了课题研究的设备，使学生了解企业的生产作业过程，并提高自己的动手实践能力，使学生在毕业后能够快速进入工作状态。6 2 展望本课题研究过程虽然完成了智慧工厂实验系统的开发，并对系统中的关键技术进行了研究，取得了一定的研究成果，也创造了一定的效益，但是由于研究水平有限，系统仍然存在一些不足之处，在测试过程中也发现了一些问题，在后续还可以继续改进：1)为满足货物的实时位置监控，可以在149、界面中添加实物模拟界面，显示货物的位置、A G V 小车的运行位置、各设备状态等信息；2)上层管理层软件为其他公司开发，一般为商用，功能较多、界面复杂、不适用教学任务，跟中f 司层软件的功能也没有很好地匹配。在后期的改进开发中可以将管理层M E S 软件和中间层控制软件同事进行软件功能的设计和开发；3)后期研发中考虑增加远程控制功能，可以采用B I S 结构和C S 结构混合控制的方式，通过I n t e m e t 访问，直接通过浏览器来对实验系统的信息进行监控，并能实现任务的添加、设备的控制等操作。开发P D A 控制功能，利用手机或平板电脑实现对订单状态、设备状态、环境运行参数等进行监控150、；4)增加用户权限的管理，将用户进行权限的设置，并分级，权限低的用户只开通设备监控的功能和部分设备的操作功能，权限高的用户开通包括订单下达等较多功能；5)课题设计的实验系统中加工部分为两台铣床，加工能力差，不能实现多道工序的复杂加工。在后期的改进中可以加入车床、钻床等设备，提高加工工件的加工难度，也能在加工过程中加入相关算法，达到柔性调度的目的；6)进一步优化系统功能，优化设备的控制方式，提高系统运行速度，使用户对实验系统的操作更加快速、有效；7)合理优化软件界面，使用户能够更加直观观察到系统的关键信息，也使用户对系统的操作更加方便。例如堆垛机控制界面中，不能观察到仓库储存的信息及货物等，在单151、机操作的时候不能准确选择空仓位或者有货仓位进行操作。万方数据致谢硕士学位论文致谢时光荏苒，转眼间就到了课题结束的时候，三年的研究生的生涯也将步入尾声，论文的研究工作也已经结束，在研究期间，我收获很多，这些收获离不开周围关心我帮助我的朋友，在此论文完成之际，我要向关心我帮助我的人致以衷心的感谢。首先感谢我的导师袁红兵副教授。论文从选题、开题、论文的研究与开发和论文的撰写都离不开袁老师的悉心指导。在研究生期间的学习和研究中，袁老师一直给我们无微不至的关怀，袁老师无私的帮助我们，给我们创造了良好的学习研究条件，并给我提供了实习实践的机会。虽然在外实习，但是袁老师也一直关心我的课题研究工作，袁老师渊博152、的学识、对于学术研究的严谨态度、一丝不苟的学术作风让我受益匪浅。其次，我还要感谢教研室的王益祥老师，王老师谦和的性格和严谨的治学态度让我印象深刻，在论文的研究工作中给我提供了很大的帮助。然后我还要感谢实习单位的同事们，我的主管经理曹博、同事张俊逸、戴源成、胡福明等同事在我研究工作中给我提供了很大的帮助，在我研究中遇到问题时，给我提供技术上的支持，也让我明白了团队合作的重要性。感谢教研室的各位同学，感谢师兄袁俊业、刘亮、李晨曦、侍洁、赵动动、张飞给了我很多学业上的指导和帮助，还要感谢宁道贺、周达凯、姚国栋、于博文、蒋鹏，我们同时进入教研室，三年时间中你们在研究工作中给我的支持和鼓励，感谢师弟卞正153、军、程浩、贺志刚、郑振宇，还有我班级里的各位同学，你们让我的研究生期间的生活多姿多彩。感谢我的家人，你们养育我长大，一直给予我大力的支持，一直包容我理解我，在研究过程中不断鼓励我。在此我表示衷心的感谢。最后感谢在百忙之中评阅本文、出席答辩的各位专家教授给予的指导。7 2万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发参考文献 1 Y uZX C o m p u t e rN e t w o r kT e c h n o l o g yD e v e l o p m e n tM o d e l J C h e m i c a lE n g i n e e r i n gD e s 154、i g nC o m m u n i c a t i o n s，2 016 2 陈谦信息时代制造业发展趋势 J 信息网络，2 0 0 8(4)：3 5 3 5 3 魏晓东德国I n d u s t r i e4 0 的启示E J 自动化博览，2 0 1 4(1)：2 6 2 8 4 本刊中国制造2 0 2 5 全面推进制造强国战略 J 稀土信息，2 0 1 5(6)：4 0 4 1 5 L u c k eD，C o n s t a n t i n e s c uC，W e s t k i m p e rE S m a r tF a c t o r y AS t e pt o w a r d 155、st h eN e x tG e n e r a t i o no fM a n u f a c t u r i n g M M a n u f a c t u r i n gS y s t e m sa n dT e c h n o l o g i e sf o rt h eN e wF r o n t i e r S p r i n g e rL o n d o n 2 0 0 8：115 118 6 L a s iH，F e t t k ePP，K e m p e rHGe ta 1 I n d u s t r y4 0 J B u s i n e s s&I n f o r m a t156、 i o nS y s t e m sE n g i n e e r i n g，2 0 1 4，6(4)：2 3 9 2 4 2 7 物联网联盟物联网接入制造业打造智慧工厂 J 计算机光盘软件与应用，2 0 1 3(5)：2 2 8 宁振波智能制造一一从美、德制造业战略说起 J 航空制造技术，2 0 1 5(1 3)：7 6 7 9 9 W e s t k a e m p e rE，J e n d o u b iL，E i s s e l eM，e ta 1 S m a r tF a c t o r y B r i d g i n gt h eg a pb e t w e e nd i g 157、i t a lp l a n n i n ga n dr e a l i t y J U b i q u i t o u sC o m p u t i n g，2 0 0 5 1 0 徐博谦传感器市场现状及发展趋势 J 黑龙江科技信息，2 0 1 3(31)：7 3 7 3 11 叶智勇工业4 0 背景下的机械加工业优化升级 J 现代企业，2 0 1 5(6)：1 0 1 0 1 2 W a n gS，W a nJ，L iD，e ta 1 I m p l e m e n t i n gS m a r tF a c t o r yo f I n d u s t r i e4 O：A nO u t158、 l o o k J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f D i s t r i b u t e dS e n s o rN e t w o r k s，2 0 1 6，2 0 1 6(4)：1 1 0 1 3 伊然工信部：积极推进“中国制造2 0 2 5”五大工 J 工程机械，2 0 1 6，4 7(6)：5 9 5 9 1 4 阎建新浅述智能化制造 J 科学时代，2 0 1 4(1 0)1 5 刘吉轩，陈雪峰，訾艳阳机械基础国家级实验教学示范中心建设与实践 J 实验科学与技术，2 0 1 3，1 1(2)：1 3 0 1 3 3 1 6 方贵159、盛机电一体化专业实验室建设与管理 J 实验室研究与探索，2 0 11，3 0(1 2)：2 1 2 2 t 6 1 7 蒋增强，鄂明成，朱晓敏，等工业工程实验体系研究 J 实验室研究与探素，2 0 1 3，3 2(1 0、：1 4 1 1 4 5 18 王达需求工程的探讨 J 软件，2 0 11，3 2(5)：6 7 7 0 19 B o w l e sS T h eP r o d u c t i o nP r o c e s si naC o m p e t i t i v eE c o n o m y：R e p l y M P r o g r e s si na r t h r i t 160、i s G r u n e&S t r a t t o n 1 9 5 8：1 2 0 3 0 4 7 3万方数据参考文献硕士学位论文 2 0 滕宝红，姬智功生产作业流程控制与管理 M 广东经济出版社，2 0 0 5 21 B oWZ h eW，J u n y iZ R e l i a b i l i t ym o d e l sa n da p p l i c a t i o ni nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o ns c h e d u l i n go fm e c h a n i c a lp r o d u c t s C M e c161、 h a n i cA u t o m a t i o na n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g(M A C E)，2 010I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n I E E E，2 010：2 8 0 2 8 4。2 2 M e n t z e rJT，D e w i t tW，K e e b l e rJS，e ta 1 D E F I N I N GS U P P L YC H A I NM A N A G E M E N T J J o u m a lo fB u s i n e s sL162、 o g i s t i c s，2 0 01，2 2(2)：1 2 5 2 3 穆建军，曹月琴打造未来智慧工厂的物流控制系统 J 自动化博览，2 0 1 5(3)：5 4 5 6 2 4】N y h u i sP，W i e n d a h lHP F u n d a m e n t a l so fP r o d u c t i o nL o g i s t i c s M S p r i n g e rB e r l i nH e i d e l b e r g，2 0 0 9 2 5 董非，倪捷，尹必峰，等工科专业实践教学质量保障体系建设研究 J 中国电力教育，2 0 1 4(3 6)163、：1 9 3 1 9 4 2 6 孙卫军管理科学与工程类专业人才培养模式研究 D 天津大学，2 0 0 5 2 7 陈世平，廖林清，郑光泽，等我国高等教育工业工程专业实验室建设模式浅析 J 工业工程，2 0 0 5，8(6)：1 0 8 1 1 0【2 8 徐笑梅，张则强面向创新型人才培养的工业工程实验室建设 J 实验科学与技术，2 0 0 7，5(5)：1 4 2 1 4 4 2 9 C h e nH，S o n gYZ o uH，e ta 1 P l a n n i n ga n dS i m u l a t i o no fS t e r e o s c o p i cW a r e h164、 o u s eo faM a n u f a c t u r i n gE n t e r p r i s e J L o g i s t i c sT e c h n o l o g y,2 01 5 3 0 石冬喜，顾旭东，郁小琴仓储物流现代化的发展研究 J 北方经贸，2 0 1 3(1 1)：5 4 5 5 31 L u oGX，F e n gAP，L i uZ，e ta 1 D e s i g no f A u t o m a t i cC o n t r o lS y s t e mo fS t e r e o s c o p i cW a r e h o u s e J C o 165、a lM i n eM a c h i n e r y,2 016 3 2 M a n t e lRJ，L a n d e w e e r dH D e s i g na n do p e r a t i o n a lc o n t r o lo fa nA G Vs y s t e m J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r o d u c t i o nE c o n o m i c s，1 9 9 5，4 1(1 3)：2 5 7 2 6 6 3 3 唐凌佳，刘丙午基于货物信息可追溯的R F I D 拣选作业系统 J 物流技术，2166、 0 1 0，2 9(2 1)：1 3 0 1 3 2 3 4 B l a s c oJ，C u b e r oS，G d m e z s a n c h i sJ je ta 1 D e v e l o p m e n to fam a c h i n ef o rt h ea u t o m a t i cs o r t i n go fp o m e g r a n a t e(P u n i c ag r a n a t u m)a r i l sb a s e do nc o m p u t e rv i s i o n J J o u r n a lo fF o o dE n g 167、i n e e r i n g，2 0 0 9，9 0(I)：2 7 3 4。3 5 王海英M E S 构架及与企业信息系统集成研究 D 合肥工业大学，2 0 0 6 3 6 张鹏浅谈柔性制造系统 J 中国外资月刊，2 0 1 1(2 0)：2 3 0 2 3 0 3 7 X i aXX，X i nBY C o m p a r eB Sm o d ew i t hC Sm o d e J J o u r n a lo f Y a n b i a nU n i v e r s i t y,2 0 0 2 7 4万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发 3 8 刘军工业以太网现168、场设备层应用关键技术研究 D 广东工业大学，2 0 0 9 3 9 李家东，冯丽浅谈无线网络通信技术与应用 J 科技致富向导，2 0 1 3(1 2)4 0 乔焰制造型企业的生产计划管理 J 东方企业文化，2 0 1 5(1 5)4 1 L iYD e n gR，B e r t i n oE R F I DS e c u r i t ya n dP r i v a c y M S p r i n g e rB e r l i nH e i d e l b e r g，2 0 1 2 4 2 马庆容，俞军，张纲国内R F I D 应用及产业研究 J 中国集成电路，2 0 0 6，1 5(1 1、169、：1 1 1 5 4 3 郑文立集装箱识别系统中电子标签的研究与设计 D 武汉理工大学，2 0 0 8 4 4 A n g e l e sR R F I DT e c h n o l o g i e s：S u p p l y C h a i nA p p l i c a t i o n sa n dI m p l e m e n t a t i o n sI s s u e s J I E E EE n g i n e e r i n gM a n a g e m e n tR e v i e w,2 0 0 7，3 5(2)：6 4 6 4 4 5 张立毅，张满毅，白煜射频识别的技术特征分170、析 J 山西电子技术，2 0 0 8(2)：5 6 4 6 佚名R F I D 读写器的选择 J 中国自动识别技术，2 0 0 6(3)：6 8 7 1 4 7 W a n tR A nI n t r o d u c t i o nt oR F I DT e c h n o l o g y J I E E EP e r v a s i v eC o m p u t i n g，2 0 0 6，5(1)：2 5 3 3 4 8 F a n gYN gST A p p l y i n ga c t i v i t y b a s e dc o s t i n ga p p r o a c hf o171、 rc o n s t r u c t i o nl o g i s t i c sc o s ta n a l y s i s J 。C o n s t r u c t i o nI n n o v a t i o n，2 0 11，1 1(3)：2 5 9 2 8 1。4 9 李佳慧基于物流管理与供应链管理的比较研究 J 南方农机，2 0 1 5(5)：6 2 6 3 5 0 王睿曼自动导引车系统设计与研究 D 南京理工大学，2 0 0 5 51 孙奇A G V 系统路径规划技术研究 D 浙江大学，2 0 1 2 5 2 M 6 h r i n gRH，K 6 h l e rE，G a w172、 r i l o wE，e ta 1 C o n f l i c t f r e eR e a l t i m eA G VR o u t i n g M O p e r a t i o n sR e s e a r c hP r o c e e d i n g s2 0 0 4 S p r i n g e rB e r l i nH e i d e l b e r g，2 0 0 5：18 2 4 5 3 孟庆伟，张冬姣基于D i j k s t r a 最短路径算法的优化及应用研究 J 电子商务，2 0 1 4(1 2)：6 0 6 1 5 4 余丽最短路算法及其在物流管理中的应用 J 赤173、峰学院学报(自然版)，2 0 1 3(2 1)：2 0 2 2 5 5 陈小明基于客户服务器结构的分布式数据库系统研究 J 厦门城市职业学院学报，2 0 0 4，6(1)：5 6 5 9 5 6 彭娇，聂慧浅析关系型数据库设计的理论和实践 J 科技创新导报，2 0 1 4(2 0)：5 4 5 4 5 7 R e i t e rR T o w a r d saL o g i c a lR e c o n s t r u c t i o no fR e l a t i o n a lD a t a b a s eT h e o r y M O nC o n c e p t u a lM o d 174、e l l i n g S p r i n g e rN e wY o r k，1 9 8 4：3 0 1 3 2 7 5 8 K i s sB，K r e b s zA O nt h er e l a i o n a ld a t a b a s et y p en u m e r i c a lp r o g r a m m i n g M 2 0 0 2 5 9 孙俊，王仕勋V i s u a lC(+)数据库访问技术 J 黄冈职业技术学院学报，2 0 0 3，5(3)：9 5 9 7 7 气万方数据参考文献硕士学位论文 6 0 成功，杨佃福V C 中几种数据库访问技术的比较与选择 J 计算机应用研究，2 0 0 2，19(2)：8 2 8 4 万方数据硕士学位论文基于物联网的智慧工厂实验系统的设计与开发附录攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况：1 唐浩强，袁红兵R F I D 在智慧工厂实验系统的应用研究 J 机电一体化(录用待刊发)7 7万方数据